NO311454B1 - Tverrskyv-styreanordning for flylegemer med faststoff- gassgenerator - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en tverrskyv-styreanordning, fortrinnsvis for firekvadrantstyring av et flylegeme ifølge innledningen i krav 1.

Tverrskyvdyser som er matet fra en faststoff-gassgenerator hvor skyvkraften er rettet vinkelrett på lengdeaksen av flylegemet som skal styres er velkjent.

Således viser f.eks. DE 3 901 041 et styreprosjektil med en faststoffvarm-gassgenerator, hvor varmgassen gjennomtrenger et stort antall utblåsningsdyser som er anordnet jevnt langs omkretsen og som strekker seg i det vesentlige vinkelrett mot prosjektilets lengdeakse, og gassgjennomtrengningen gjennom de enkelte utblåsningsdyser er styrbar via en styreinnretning som for hver utblåsningsdyse omfatter et ventilledd som en styrestjerne er samordnet med som reguleringsledd som har flere armer som tilsvarer antallet av utblåsningsdyser, strekker seg vinkelrett mot prosjektillengdeaksen og lagret vippbart på alle sider om prosjektilets lengdeakse, slik at det via elektromag-neter anordnet for hvert ventilledd er utblåsningsdysen som er forutbestemt av en styreinnretning påvirkbar for tilveiebringelse av en tverrkraft som tilveiebringer en flybaneendring.

Ved ubetjent styrestjerne opphever virkningen fra skyvkraften fra tverrskyvdysene hverandre, mens ved en betjening av styrestjernen med unntak av en forutbestemt tverrskyvdyse er alle andre lukket, slik at den ønskede tverrkraft for flybaneendringen tilveiebringes ved hjelp av den forutbestemte tverrskyvdyse.

Utformingen av reguleringsleddet som styrestjerne tillater bare begrensede innstillingsbevegelser for ventilleddene, noe som betyr bare begrensede åpningsbeveg-elser for ventilleddene, men særlig skjer som følge av den stive kopling av ventilleddene for alle tverrskyvdyser ved den vippbart lagrede styrestjerne ved lukking av tverrskyvdysene som skal utkoples kun en åpning av den styrte tverrskyvdyse utover den opp-rinnelige åpningsgrad, slik at både i stillstand av styrestjernen og i dens innstillings-posisjoner som følge av det regulerte konstante åpningstverrsnitt skjer et konstant varmgassavløp over alle tverrskyvdysene.

Selvom det bare er nødvendig med en komponentretning for tilveiebringelse av tverrskyvfunksjonen, må det derfor ved den kjente styreinnretning for å oppnå total-styresystemet må tverrskyvdysene for alle komponentretningene være kontinuerlig operativt betjeningbare. Fra dette fremkommer den ytterligere ulempe at den kontinuerlig høye og uregulerte avbrenning av faststoffet og en med dette gitt totalskyvevne forblir i det vesentlige ubenyttet i relasjon til nyttbar eller bare til nødvendig tverrskyvkraft, slik at det er nødvendig med en tilsvarende høyere drivstoffmengde, -masse og -volum for en for langt tverrskyv-styremisjon.

For å unngå denne ulempe kan anvendelse av en skyvregulering av en faststoffdrivmotor ved anvendelse av hybridteknikk være mulig på den måten at brennkammertrykket for tverrskyvstyringen og dermed skyvkraften av en faststoffdrivmotor er regulerbar i et definert område og at det dermed kan benyttes drivstoffmengde mer effektivt ved innblanding av en oksidator som er medievert eller tilført utenfra.

I et slikt tilfelle kan totalskyvevnen reguleres høyt dersom det er nødvendig med tverrskyvstyring.

Bortsett fra at et slikt system krever en meget kompleks blandeteknologi, blir det pga. den nødvendige blandingssone nødvendig med et stort byggevolum, noe som er uforholdsmessig ved løsning av oppgaven med en flylegeme- tverrskyvstyring.

Fra DE 1 291 206 er det for regulering av vertikal-, horisontal-, og rulle-momentene for et strålebåret fly under start-og landefasen riktignok kjent å regulere gjennomgangen av stråledysene som er parvis samordnet med vertikal-, horisontal-, og rulleaksen ved hjelp av hulsylindriske gjennomskyvere betjent av stillmotorer som hver rager inn i begge gasstilføringer av hvert dysepar, og for dette har flere gjennombrudd med forskjellig størrelse og som betjenes synkront.

På denne måten blir en konstant trykkgassmengde fordelt til dyseparene uten endring av prosentsatsen av totalgassmengden som tas ut til flyets drivverk på en slik måte at den nødvendige likevektstilstand kan opprettholdes under den nevnte start- og landingsfase for det stråleborede fly.

Slike dreiesleider og deres styring som regulerer gjennomgangen i parvis anordnede gasstilføringer kan ikke anvendes i tverrskyv-styreanordninger av typen nevnt i innledningen.

Ved utnyttelse av det i seg selv kjente fenomen med endring av avbrenningshastigheten for et faststoffdrivsett for gasstilveiebringelse i avhengighet av brennkammertrykket som konstruksjonsparameter for dannelsen av styringen er derfor formålet med oppfinnelsen å tilveiebringe hjelp ved hjelp av ny rverrskyv-styreanordning for flylegemer av typen som her er på tale, som uten en hybridteknikk for regulering av et faststoff-drivsett arbeider mer effektivt enn tidligere og som ikke har ulempene med de kjente tverrskyv-styreanordningene, særlig i tomgangsmodus.

Utgående fra en tverrskyv-styreanordning av typen nevnt i innledningen oppnås dette formål ifølge oppfinnelsen ved at reguleringsleddet blir styrt lineært etter foreskrevet flymodus langs dets aksestilling, og er utformet på en slik måte at tverrskyvdysene er styrbare intermitterende hver for seg, og er uavhengig av hverandre virksomme eller uvirksomme.

Ifølge en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er reguleringsleddet utformet som trykkavlastet treveisventil, fortrinnsvis som et frem- og tilbakegående bevegelig og roterende lagret stempel med minst én i omkretsflaten inngripende akseparalell strømningskanal som kan bringes i fluidforbindelse med tverrskyvdysene.

Ifølge en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen er reguleringsleddet utformet som en roterende og lineært frem- og tilbakegående lagret kjeglestump med minst én styrerille som er samordnet med ventilleddene, idet ventilleddene og reguleringsleddet er anordnet med deres virksomme akser liggende vinkelrett på hverandre.

Ventilleddene er fortrinnsvis utformet som seteventiler som holdes fjærende i deres åpne stilling og føres lineært ved hjelp av en ventilstang, idet de frie ender av ventilstengene er samordnet med valseelementer.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremkommer av de uselvsentendige krav.

Utformingen av tverrskyv-styreanordningen ifølge oppfinnelsen muliggjør for første gang en tomgangsmodus hvor brennkammertrykket og dermed avbrenningshastigheten for gassgeneratorens faststoff er lavt, og en skyvmodus hvor brennkammertrykket er høyt og skyvkraften kan tilveiebringes intermitterende ved hjelp av en tverrskyvdyse i en av de kartesiske komponentretninger. Da drivstoffet anvendes i det vesentlige bare for tilveiebringelse av skyvkraft i den utvalgte kartesiske komponentretning, og ikke også for opprettholdelse av en system-totalskyveevne, som måtte holde til kontinuerlig skyvmating av tverrskyvdysene i alle komponentretningene, er forbruket redusert, og den konstruktive anvendelse for tverrskyvstyreanordningen ifølge oppfinnelsen blir dermed betydelig mindre og lettere. Ut over dette muliggjør utformingen av tverrskyvstyreanordningen ifølge oppfinnelsen en betydelig enkel utforming av styrekonseptet for et tverrskyvstyrt flylegeme, da et enkelt konstruksjonselement tjener til styring av gjennomgang, altså skyvkraft og av skyvretning.

Styringen av tverrskyvdysene kan, som angitt, skje umiddelbart eller middelbart, idet det i det siste tilfellet må koples separate komponenter som avstengningsorganer mellom reguleringsleddet og tverrskyvdysenes innløp. Både ved den umiddelbare tverrskyvdysestyring via et sentralt dreibart aksialt forskyvbart lagret styrestempel og ved den middelbare tverrskyvdysestyring er det fordelaktig at rekylkraften fra den motstående tverrskyvdyse hhv. brennkammertrykket selv anvendes til tetningskraftunderstøttelse, noe som fører til høyere systemtettheter. Dette har særlig betydning for små tverrskyv-dyseåpninger.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med to utførel-seseksempler og under henvisning til tegningene, der fig. 1 er et snittriss av en første utførelsesform av en tverrskyvstyreanordning ifølge oppfinnelsen med reguleringsledd som befinner seg i den styrte flymodus, fig. 2 er et snittriss etter linjen II-II på fig. 1, fig. 3 er et snittriss av en andre utførelsesform av en tverrskyvstyreanordning ifølge oppfinnelsen med reguleringsledd som befinner seg i den ustyrte flymodus, fig. 4 er frontriss av tverrskyvstyreanordningen på fig. 3, og fig. 5 viser tverrskyvstyreanordningen på fig. 3 med en ytterligere tvangsføring.

Et her ikke nærmere vist flylegeme som beveger seg selvstendig har for endefasestyring, som vist på fig. 1 og 2, fire kartesisk i forhold til hverandre anordnede såkalte tverrskyvdyser 10 som styres intermitterende og enkeltvis via et sentralt reguleringsledd som er lagret i flylegemestrukturen 11 og utformet som styrestempel 12. Reguleringsleddet befinner seg umiddelbart ved dyseinngangen 14 eller eventuelt opp-strøms av den og kan via en stempelstang 15 ved hjelp av aktuatorer, nemlig et vinkel-reguleringsledd 16 og et lineærreguleringsledd 17 dreies om en sentralakse 20 så vel som forskyves langs sentralaksen.

På styrestempelet 12 er det innarbeidet en eller flere strømningskanaler 22, 23 som strekker seg i aksial retning over hele stempelmantelflaten, hvor strømningskanalene 22, 23 i avhengighet av vinkelposisjonen av styrestempelet tilfører gasser til tverrskyvdysene fra et her bare antydet brennkammer 13 på gassgeneratoren. Styrestempelets 12 vinkelposisjon blir innstilt via en her likeledes ikke vist kartesisk endefaseleddstyring av flylegemet. I posisjonene hvor ingen strømningskanal 22 er samordnet i virksom forbindelse med en av tverrskyvdysene på den tilsvarende omkretsposisjon, tjener den aktuelle stempelmantelflate som strømningstetning. Som følge av de mangedobbelt anordnede strømningskanaler 22, 23 på stempelmantelflaten kan den roterende vei for styrestempelet 12 for å kjøre mot den aktuelle tverrskyvdyse minimaliseres for tilveiebringelse av de aktuelle kartesiske skyvkomponenter, og reaksjonskarakteri-stikkene for den her ikke viste sluttfasestyring kan optimaliseres.

Virkningsmåten for den ovenfor beskrevne anordning er følgende.

I tomgangsmodus er styrestempelet 12 på fig. 1 kjørt til den ikke viste venstre endestilling til anlegg mot en endevegg 18 på strukturen 11 som tjener til lagring for stempelstangen 15, slik at alle tverrskyvdysenes innganger 14 er fri. I denne styrestilling kan det ikke bygge seg opp noe høyt brennkammertrykk, fordi alle tverrskyvdyser er åpnet, og gassgeneratorens faststoffbrennstoff brenner med minimalisert avbrennings-hastighet og dermed meget sparsomt.

Tomgangstrykkforholdene for å sikre en stabil avbrenning kan tilpasses av styrestempelets aksiale posisjon. Utover dette lar trykk/tids-gradienten ved oppbygging og nedbygging av brennkammertrykket seg innstille av et tilsvarende styreprogram for den aksiale innstilling av styrestempelet.

I skyvmodus blir styrestempelet 12 dreid frem til tverrskyvdysen 10 som skal aktiveres ved hjelp av aktuatoren (vinkelinnstillingsledd) 16, og deretter ved hjelp av aktuatoren 17 (lineærinnstillingsledd) kjørt lineært, altså aksialt inn i styrestillingen vist på fig. 1.

Dermed blir tre av de fire kartesisk anordnede dyseinnganger 14 sperret. På den måten stiger brennkammertrykket og avbrenningshastigheten av faststoffet som der befinner seg meget hurtig, og det blir tilveiebrakt en skyvkraft gjennom den ikke avsper-rede tverrskyvdyse. Denne skyvkraft virker også på styrestempelet 12 og tilveiebringer en trykkraft mot den tilsvarende motstående inngang 14 av tverrskyvdysen og øker dermed den lokale tetningskvalitet.

Inngangene til tverrskyvdysene som står på tvers av den styrte tverrskyvdyse er trykkmessig likt belastet og mulige strømningstap i avhengighet av eksisterende spalter fører til tverrskyvkrefter som utligner hverandre og blir dermed styreuvirksomme.

Da brennkammertrykket over strømningskanalene også kan bli virksomt i rommet som befinner seg til venstre for styrestempelet 12 på fig. 1, er det mulig med en trykkutjevning av volumområdene i forhold stempelflate mot stempelstangflate før og etter styrestempelet, slik at det skjer en kraftutligning av styrestempelet og det må ytes lite volumfortrengningsarbeid ved aksial stempelbevegelse.

Utførelsesformen vist på fig. 3 til 5 viser en middelbar tverrskyvdysestyring med separat sperreorgan mellom reguleringsleddet som tjener som styredel og tverrskyvdysenes innganger.

Ved denne utførelsesform er det som reguleringsledd lagret en styrekjegle 30 dreibar og bevegelig frem- og tilbake ved hjelp av en styrekjegleaksel 31 i flylegemestrukturen 32. Også der skjer driften av styrekjeglen via styrekjegleakselen ved hjelp av aktuatorer, nemlig vinkelinnstillingsleddet 16 og lineærinnstillingsleddet 17 som vist på fig. 1.

Også ved denne utførelsesform er det fire tverrskyvdyser 10 i flylegemestrukturen 32 som er anordnet kartesisk i forhold til hverandre og kan styres intermitterende og enkeltvis via det sentrale reguleringsorgan, nemlig den nevnte styrekjegle 30. For dette er det i styrekjeglen 30 anordnet en eller flere akseparallelle styreriller 34. Ved hjelp av styrerillene blir styrekjeglemantelflatens stigning i dette område avbrutt. Sperreorgankomponentene som er samordnet med tverrskyvdysene består hver av en sete- eller tallerken ventil 38 med et tetningssete tilveiebrakt ved hjelp av tverrskyvdysenes inngang 14, en i strukturen 32' lagret ventilløfter 39 som på den frie ende bærer et valselegeme 41 f.eks. en kule, og en fjær 42 som er beregnet til å holde tallerkenventilen i den åpne stilling vist på fig. 3. Venttilleddenes virksomme akser 21 står vinkelrett mot styrekjeglens 30 virksomme akse 20.

Det sentrale innstillingsorgan er på fig. 3 vist i innstillingsstillingen for ustyrt flymodus, hvor ventilløfteren befinner seg i området ved styrekjeglens 30 minste diameter, og fjærene 42 holdes i anlegg mot styrekjeglemantelflaten. Denne er i dette området uten de ovenfor nevnte styrekjegleriller hvilkes tverrsnitt her tilsvarer valse-legemets 41 diameter.

Så snart en styrt flymodus - altså endefaseleddstyringen - er gjennomført, blir styrekjeglen via vinkelinnstillingsleddet 16 dreid til den nødvendige vinkelposisjon, altså til den nødvendige tverrskyvposisjon, hvor styrerillen 34 ligger motsatt ventilløfteren 39 med dens valselegeme, og deretter kjørt via lineærinnstillingsleddet 17 aksialt til venstre på fig. 3 langs den virksomme akse 20. Dermed blir alle tallerkenventiler via styrekjeglens 30 styrekjeglemantelflate, via valselegemet og ventilløfteren beveget mot fjærens 42 virkning til stengestillingen hvor gasstilførselen til tverrskyvdysene er avbrutt.

Fra dette er det unntatt tverrskyvdysene hvis ventilløftere som følge av den innstilte vinkelposisjon av styrekjeglen kan inngripe i en av styrerillene 34.

Tallerkenventilen som er samordnet med denne ventilløfter forblir i hvilestillingen vist på fig. 3, fordi styrekjeglerillen 34 er uten styrkekjeglemantelflatens stigning.

Bare denne tverrskyvdyse er nå i fluidforbindelse med brennkammeret vist på fig. 3 og dets tilføringer til tverrskyvdysene; denne tverrskyvdyse leverer nå alene de nødvendige tverrskyvkomponenter.

Ved hjelp av den beskrevne innstillingsbevegelse blir altså tre av de fire kartesisk anordnede tverrskyvdyser lukket, slik at brennkammertrykket stiger meget hurtig, noe som fører til økning av avbrenningshastigheten i brennkammeret, og det blir tilveiebrakt den størst mulige tverrskyvkraft gjennom den åpne tverrskyvdyse.

Det høye brennkammertrykk fører til en fast ventiltetning for den lukkede ventil, slik at det der ikke kan inntreffe noen trykktap.

For å kunne åpne den lukkede tallerkenventil på en sikker måte ved tilbake-kjøring av styrekjeglen 30, er det ifølge fig. 5 i området ved styrekjeglens største diameter anordnet et tvangsføringselement 44 som med dets frie arm 45 griper en tapp 46 som befinner seg på ventilleddene, nemlig på valseelementet 41, på en slik måte at ved tilbakekjøring til hvilestillingen vist på fig. 5 - ustyrt flymotor - blir den samordnede tallerkenventil 38, tvangsvis overført til åpningsstillingen.

På denne måten blir det sikret at en som følge av høytrykk eller forkoksing evt. fastsittende tallerkenventil som kan føres tilbake ved hjelp av fjæren 42 ved tilbake-kjøring av styrekjeglen virkelig kommer til dens åpne stilling.

Som det fremkommer av det foregående tilsvarer virkningsmåten for utførelses-formen beskrevet i det foregående i det vesentlige virkningsmåten for utførelsesformen av tverrskyvstyreanordningen beskrevet i innledningen. Begge utførelsesformer har det felles at innstillings- hhv. styreleddet 12 hhv. 30 bevirker både innstillingen av brennkammertrykket og direkte styringen av den aktuelle kartesiske tverrskyvretning. Dermed sikres det at brennkammertrykket i tomgangsmodus er lavere og dermed også at avbrenningshastigheten for faststoffdirvladningen er lav, mens ved skyvmodus kan brennkammertrykket som følge av de lukkede tverrskyvdyser styres høyt, og skyvkraften kan som følge av en åpnet tverrskyvdyse tilveiebringes intermitterende i en kartesisk skyvkomponentretning.

Fordi drivstoffet spesifikt bare benyttes for tilveiebringelse av skyvkraft i den valgte retning, og ikke også for opprettholdelse av en total systemskyvevne, noe som måtte holde til kontinuerlig skyvmating i alle komponentretninger, er forbruket av driv-stoff redusert.

Tomgangstrykkforholdene kan tilpasses ved utvelgelse av ventilsetegeometrien. Utover dette er det mulig å innstille de tilsvarende trykkfallforhold i brennkammeret også ved hjelp av en tilsvarende innstilling av styrekjeglen langs dens virksomme akse 20,noe som forutsetter en tilsvarende senere eller tidligere inngriping av den aktuelle ventilløfter i den samordnede styrerille.

Trykk/tid-gradienten ved oppbygging og nedbygging av brennkammertrykket lar seg også innstille ved hjelp av et tilsvarende styreprogram for kjøringen av styrekjeglen langs den virksomme akse 20. Endelig er størrelsen av stigningen av innstillingsleddets 30 styrekjegle og utstrekningen av dets lineærbevegelse valgt i avhengighet av ventilleddenes 38, 39 innstillingsvei som er nødvendig for trykkendringen i faststoff-varmgassgeneratoren 13.

Utvalget av høytemperaturfaste materialer for de beskrevne tverrskyvstyre-anordninger er avhengig av den anvendte drivstofftype, den nødvendige brenntemperatur i brennkammeret og brennvarigheten tilsvarende den forlangte virkningsvarighet for flylegemet som skal styres. For dette egner det seg varig høytemperaturfaste materialer opp til ca. 2 500 °C særlig for den termisk og erosivt høybelastede tallerkenventil-setekombinasjon i innstillingsorganene. Ut over dette må innstillingsorganene og/eller styreleddene anbringes varmeisolert i forhold til brennkammeret.

Claims (9)

1. Tverrskyv-styreanordning, fortrinnsvis for firekvadrantstyring av et flylegeme ved anvendelse av tverrskyvdyser (10) som står i forbindelse med en faststoff-gassgenerator (13), hvor tverrskyvdysene (10) er samordnet med ventilledd (38), hvor det for deres betjening mellom ustyrt og styrt flymodus er anordnet et felles reguleringsledd (12,30), som etter vinkelposisjon er innstillbart lagret roterende (aktuator 16), karakterisert ved at reguleringsleddet (12, 30) blir styrt lineært (aktuator 17) etter foreskrevet flymodus langs dets aksestilling, og er utformet på en slik måte at tverrskyvdysene (10) er styrbare intermitterende hver for seg, og er uavhengig av hverandre virksomme eller uvirksomme.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at reguleringsleddet (12) er utformet som trykkavlastet tre veis ventil.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at veiventilen er utformet som et frem- og tilbakegående såvel som roterende lagret stempel (12) med minst én i omkretsflaten inngripende akseparallell strømningskanal (22) som kan bringes i fluidforbindelse med tverrskyvdysene (10).

4. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at reguleringsleddet er utformet som en roterende og lineært frem- og tilbakegående lagret kjeglestump (30) med minst én styrerille (34) som er samordnet med ventilleddene (38, 39,41).

5. Anordning ifølge krav 1 og 4, karakterisert ved at ventilleddene er utformet som seteventiler (38) som holdes fjærende i deres åpne stilling og føres lineært ved hjelp av en ventilstang (39), og reguleringsleddet er utformet som frem- og tilbakegående såvel som dreibart lagret styrekjegle (30) med styreriller (34) som kan bringe ventilleddene i virksom forbindelse, og at de virksomme akser (20, 21) av reguleringsledd og ventilledd er vinkelrett på hverandre.

6. Anordning ifølge krav 1,4 og 5, karakterisert ved at størrelsen av stigningen for reguleringsleddets (30) styrekjegle og utstrekningen av dets lineære bevegelse er valgt i avhengighet av ventilleddenes (38, 39) innstillingsvei som er nødvendig for trykkendringen i faststoffgassgeneratoren (13).

7. Anordning ifølge krav 1, 4 til 6, karakterisert ved at valseelementer (41) er samordnet med de frie ender av ventilstengene (39).

8. Anordning ifølge krav 1, 4 til 7, karakterisert ved at reguleringsleddet (30) ved tallerkenventilens (38) begynnelsesåpningsområde er samordnet med tvangsførings-ledd (44, 45) som tilveiebringer en åpningsspalt.

9. Anordning ifølge krav 8, karakterisert ved at det ved ventilleddene (41) er anordnet tapper (46) som er samordnet med tvangsføringsleddene (44,45).