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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft einen Flugkörper
für den Überschallbereich
mit einem Informationserfassungsorgan und einem Aero-Spike gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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STAND DER TECHNIK
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Flugkörper für einen Überschallbereich
können
mit einem Informationserfassungsorgan ausgestattet sein, wobei es
sich bei der durch das Informationserfassungsorgan erfassten Information
um ein Bild, eine Position, ein Geräusch ein Temperaturfeld oder ähnliches
handeln kann. Im Folgenden wird lediglich beispielsweise die der
Erfindung zugrunde liegende Problematik anhand lenkbarer Flugkörper mit einem
als Zielsuchkopf ausgebildeten Informationserfassungsorgan beschrieben:
Moderne
autonome lenkbare Flugkörper
sind mit einem Zielsuchkopf (beispielsweise Infrarot-Zielsuchkopf) ausgestattet,
der hinter einer mit einem Dom gebildeten Nase im Inneren des Flugkörpers angeordnet
ist. Zur Gewährleistung
der Funktionalität
des Zielsuchkopfs ist der Dom oder die Nase typischerweise stumpf
ausgebildet, was den Nachteil mit sich bringt, dass ein hoher aerodynamischer
Widerstand gegeben ist. Bei Überschallgeschwindigkeiten kommt
erschwerend hinzu, dass es zur Bildung eines starken Verdichtungsstoßes am Bug
kommen kann, der einen so genannten Bugwellenwiderstand verursacht.
Die Höhe
des Bugwellenwiderstands nimmt sehr stark mit der Intensität des Bugstoßes bzw.
mit der Geschwindigkeit zu. Beispielsweise beträgt der Bugwiderstand eines
modernen Flugkörpers
bei einer halbsphärischen
Nase mit einem Durchmesser von 100 mm bei einem Flug mit Machzahl
3 in 3 km Höhe
etwa 3.5 kN. Die somit entstehenden überhöhten Widerstandswerte bei aktuellen Lenkflugkörpern mit
einem Zielsuchkopf führen
zur deutlich reduzierter Nutzlast, Reichweite sowie Fluggeschwindigkeit. Bei
Anwendung einer schlanken Nasenform würde der Gesamtwiderstand dieses
Flugkörpers
im Reiseflug nur noch ca. 20 %–50
% betragen.
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Eine
Reduzierung eines Widerstands wird bei den bekannten Lenkflugkörpern vor
allem durch Miniaturisierung des Zielsuchkopfs gelöst, so dass der
Dom möglichst
klein ausgebildet ist. Ein Vorkörper
des Flugkörpers
wird beispielsweise in Form eines stumpfen Kegels ausgeführt, wobei
der eigentliche Dom ganz vorne angebracht ist und immer eine Halbsphäre darstellt,
die hinsichtlich der genannten Widerstände immer noch suboptimal ist
(z. B. die Lenkflugkörper
der neuesten Generation „IRIS-T" und „LFK NG
leFla", vgl.
- N.N., "Diehl BGT Defence
GmbH & Co. KG. – ein Zusammenschluss
von Bodenseewerk Gerätetechnik GmbH
und Diehl Munitionssysteme GmbH & Co. KG.", Firmenbroschüre BGT,
2003. [1]).
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Weiterhin
ist es zur Vereinbarung der Funktion des Suchkopfs und eines niedrigen
Widerstands bekannt, je nach Missionsablauf in der ersten Phase des
Fluges zum Ziel eine Nasenabdeckung zu benutzen, die eine aerodynamisch
optimale schlanke Form hat und somit in dieser Flugphase auch einen
wesentlich geringeren Widerstand verursacht als eine verhältnismäßig stumpfe
Nase, die in der zweiten Phase des Fluges nach einer Entfernung
der Nasenkappe, beispielsweise durch Wegsprengen, wirksam ist und
eine Aktivierung des Suchkopfs in der zweiten Phase ermöglicht.
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Eine
andere bekannte Möglichkeit
zur Reduzierung des Widerstandes ist die Anbringung eines Suchkopffensters
nicht mittig an der Nase, sondern in einer Rampe an der Rumpfunterseite
(z. B. bei „ARMIGER" mit dem multi-spektralen
Suchkopf „ARAS", sowie BGT-Technologiestudie „SKNT" in [1]).
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Eine
Anordnung eines Strömungsleitelementes
in Form eines Dorns, eines so genannten "Spikes" oder "Aero-Spikes" zur Druck- und/oder Temperaturminderung
auf einer vorderen Stirnfläche eines
Flugkörpers
bei Überschallgeschwindigkeit,
ist mittlerweile seit über
50 Jahren bekannt, vgl.
- Chang, P. K., "Separation of Flow", Pergamon Press, 1970. [2]
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Weiterer
Wissensstand zur allgemeinen Problematik der Widerstandsreduzierung
an stumpfen Körpern
sowie zur Anwendung von Aero-Spikes ist den folgenden Literaturstellen
zu entnehmen:
- Bertin J., "Hypersonic Aerothermodynamics", AIAA Education
Series, 1994 [3]
- Fomin V.M., Tretyakov P.K., Taran J.-P. "Flow Control Using Various Plasma And
Aerodynamic Approaches (Short Review)", Aerospace Science and Technology,
8, 2004, Seiten 411–421
[4]
- Kremeyer K., "Lines
of Pulsed Energy for Supersonic/Hypersonic Drag Reduction; Generation
and Implementation",
AIAA-2004-0984, AIAA, 2004 (s. a.: Kremeyer, K., USPTO, Patent Nr. US 6,527,221 B1 , Mai
2000 [5]
- Gnemmi P., Srulijes J., Roussel K., Runne K., "Flowfield Around
Spiked-Tipped Bodies for High Attack Angles at Mach 4.5", Journal of Spacecraft
and Rockets, Vol. 40, Nr. 5, Seiten 622–631, Sept.-Okt. 2003 [6]
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Ein
bekanntes Beispiel für
einen Einsatz eines Aero-Spikes sind ballistische Hochgeschwindigkeits-Flugkörper (z.
B. „TRIDENT"), die z. B. ohne
Infrarot-Zielsuchkopf ausgebildet sind und durch den Vorschuss aus
einem U-Boot auf eine kompakte Bauart mit einer stumpfen Nase angewiesen
sind.
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Aero-Spikes
werden unmittelbar an einer beispielsweise halbsphärischen
Nase oder einem Dom eines Zielsuchkopfs des Flugkörpers angebracht
und sind entlang einer Längsachse
des Flugkörpers
ausgerichtet. Im Geradeausflug kann der Aero-Spike durch eine induzierte
Strömungsablösung im
Bereich des distalen Endes des Aero-Spikes, die als Ergebnis der
Wechselwirkung des Bugstoßes
mit der Grenzschicht an dem Aero-Spike zustande kommt, zu einer
deutlichen Verminderung des Wellenwiderstands führen, die in [2] mit bis zu
80 % beziffert wird.
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Aus
US 3,713,607 A ist
ein hohlzylinderförmiger
Aero-Spike für
einen Überschall-Flugkörper bekannt,
wobei die Mantelfläche
des Aero-Spikes perforiert ist. Die Befestigung des Aero-Spikes an der vorderen
Stirnseite des Flugkörpers
ist derart, dass mit der Fertigung des Flugkörpers oder vor einem Start
des Flugkörpers
eine Einstellung des Winkels des Aero-Spikes gegenüber der Längsachse des Flugkörpers ermöglicht ist.
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US 3,416,758 A offenbart
einen gegenüber einer
Nase eines Flugkörpers
um eine quer zur Längsachse
des Flugkörpers
verschwenkbaren Aero-Spike. Die Verschwenkung erfolgt hierbei derart, dass
der Aero-Spike bei gegenüber
einer Anströmrichtung
geneigter Längsachse
des Flugkörpers
in Richtung der Anströmung
verschwenkt wird, wodurch eine an der Stirnseite des Aero-Spikes
erzeugte konische Schockwelle an der Nase des Flugkörpers vorbeigeführt werden
soll. Hierzu finden Aktuatoren Einsatz, nach deren Maßgabe die
Verschwenkung erfolgt. Sensoren im Bereich der Nase des Flugkörpers erfassen
Druckänderungen
von sich gegenüberliegenden
Teilflächen
der Stirnfläche,
die indizieren, dass eine Stellbewegung erforderlich ist.
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US 6,527,221 B1 betrifft
eine Beeinflussung der Strömung
stromaufwärts
einer Nase eines Flugkörpers
durch eine Energiezufuhr mittels Laser oder Mikrowellen zur Erhitzung
der Anströmung,
die die Strömungsverhältnisse
durch Expansion des anströmenden
Mediums beeinflussen soll. Hierbei kann ein derart gebildeter „virtueller
Aero-Spike" quer
zur Längsachse
des Flugkörpers
verschoben werden, der damit zu einer veränderten aerodynamischen Umströmung führt und
wodurch der virtuelle Aero-Spike zusätzlich zur Erzeugung einer
Lenkbewegung eingesetzt ist.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flugkörper vorzuschlagen,
der einen geringen aerodynamischen Widerstand besitzt bei gleichzeitiger
Gewährleistung
einer guten Funktionalität
eines Informationserfassungsorgans.
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LÖSUNG
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Die
Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs
1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen 2 bis
8 zu entnehmen.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Der
vorliegenden Erfindung liegt zunächst die
Erkenntnis zugrunde, dass der Einsatz eines Aero-Spikes die Funktion
des Informationserfassungsorgans beeinträchtigt, da der Aero-Spike in
dem von dem Informationserfassungsorgan überwachten Informationsfenster
oder Informationskegel zumindest teilweise angeordnet ist, so dass
zumindest ein Teil der zu erfassenden Information durch den Aero-Spike
abgedeckt oder beeinträchtigt
sein kann. Auch die eingangs erwähnte
Kompromiss-Konfiguration mit einer Anbringung eines Fensters für einen Zielsuchkopf
seitlich an einem Rumpf des Flugkörpers führt zu einer starken Einschränkung des
Sichtfelds und der Funktion des Zielsuchkopfs. Dies kann dazu führen, dass
bei Einsatz eines derartigen Flugkörpers zur Bekämpfung von
Zielen eine Einschränkung
des Einsatzes auf eine Bekämpfung
unbeweglicher oder sehr langsamer Ziele erforderlich ist. Eine Verringerung
der Längserstreckung
des Aero-Spikes ist nur begrenzt möglich, da ein stumpfer Aero-Spike eine
relative Dicke von etwa 0,1–0,2
D mit D als Durchmesser des Flugkörpers besitzen sowie eine relative
Länge von
mindestens einem Durchmesser D aufweisen sollte, vgl. [2], [6],
um aerodynamisch effektiv zu wirken. Da ein derartiger Aero-Spike
direkt an dem Dom oder der Nase positioniert ist, stellt dies eine
permanente Störung
für einen
Zielsuchkopf dar, die bei einer Mission die "Sicht" in Richtung eines Zielobjekts zumindest
teilweise versperrt.
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Diesen
Erkenntnissen wird erfindungsgemäß dadurch
Rechnung getragen, dass der Aero-Spike gegenüber dem Informationserfassungsorgan
quer zu einer Längsachse
des Flugkörpers
oder des Aero-Spikes in unterschiedliche Positionen bewegbar ist,
wobei ein Bewegungsvektor des Aero-Spikes in einer Ebene liegt,
die (ungefähr)
quer zur Längsachse
des Flugkörpers
orientiert ist. Hierdurch ergeben sich folgende neue Möglichkeiten:
- a) Es können
qualitativ unterschiedliche Flugphasen ermöglicht werden, nämlich Flugphasen,
in denen der Aero-Spike in einer für den Flugbetrieb optimalen
Position ist, sowie Flugphasen, in denen sich der Aero-Spike u.
U. in einer für
den Flugbetrieb sub optimalen Position befindet, in der aber eine
verbesserte Betriebsweise des Informationserfassungsorgans möglich ist.
Zwischen den vorgenannten Positionen kann der Aero-Spike, beispielsweise über eine
geeignete Stelleinrichtung nach vordefinierten Zeitabständen oder über eine
Steuereinrichtung bei einem Erkennen einer Notwendigkeit einer (erneuten)
Erfassung von Informationen, bewegt werden.
- b) Alternativ oder kumulativ kann eine Relativbewegung zwischen
Aero-Spike und Informationserfassungsorgan dafür sorgen, dass das Informationserfassungsorgan
durch die mit dem Aero-Spike gebildete "Hindernisschicht" wie durch eine "verschmutzte Brille" hindurchsehen kann, da infolge einer
kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Relativbewegung das Hindernis
nur temporär
einzelne Teilbereiche abgedeckt und die abgedeckten Teilbereiche
sich mit der Zeit ändern. Dies
hat zur Folge, dass in einem gegenüber der temporären Abdeckung
vergrößerten Zeitmaßstab die
lediglich temporär
abgedeckten Zielbereiche dennoch durch das Informationserfassungsorgan
ohne nennenswerte Beeinträchtigung
der Informationen erfasst werden können.
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Die
Möglichkeit
für eine
Relativbewegung zwischen Aero-Spike und Informationsorgan sind vielfältig: beispielsweise
kann eine geführte
Bewegung entsprechend einem definierten Bewegungsgesetz erfolgen,
welches beispielsweise durch einen geeigneten Aktuator vorgegeben
ist. Ebenfalls möglich
ist
- – eine
Bewegung auf einer geschlossenen Bahn,
- – eine
Bewegung einer hin- und hergehenden Bahn oder
- – eine
schwingende Relativbewegung durch Ausbildung oder Abstützung des
Aero-Spikes und/oder eine Anbindung des Informationserfassungsorgans
als schwingungsfähiges
System, was periodisch, harmonisch oder intermittierend über einen
Aktuator oder die Flugbewegung angetrieben wird.
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Für eine bevorzugte
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Flugkörpers ist
der Aero-Spike gegenüber
dem Informationserfassungsorgan auf einer Kreisbahn bewegbar. Beispielsweise
kann der Aero-Spike ortsfest an einer Stirnseite des Flugkörpers angeordnet
sein, während
das Informationserfassungsorgan mit einem Radius R beabstandet von
der Längsachse
des Aero- Spikes
angeordnet ist und auf einer Kreisbahn mit dem Radius R um die Längsachse
rotiert. Hierdurch kann das Informationserfassungsorgan Objekte
auf "allen Seiten" des Aero-Spikes
erfassen. Ebenfalls möglich
ist die ortsfeste Anordnung des Informationserfassungsorgans, während der
Aero-Spike radial versetzt ist und gegenüber dem Informationserfassungsorgan
auf einer Kreisbahn bewegt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Auswertung
eines zentralen, in Richtung der Längsachse orientierten Informationsfelds
durch den Aero-Spike überhaupt
nicht beeinträchtigt
ist und lediglich radial außenliegende
Informationsfelder temporär
von einem Aero-Spike gestört
werden, so dass eine Qualität
der erfassten Information allenfalls im radial außenliegenden
Bereich vermindert ist.
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Gemäß einem
weiteren Vorschlag der vorliegenden Erfindung ist nicht nur ein
Aero-Spike eingesetzt, sondern vielmehr sind mehrere Aero-Spikes eingesetzt,
die quer zur Längsachse
des Flugkörpers versetzt
angeordnet sind, insbesondere mit paralleler Anordnung der Längsachsen
der einzelnen Aero-Spikes. Eine derartige Anordnung von mehreren Aero-Spikes
hat mehrere Vorteile:
- – Die Länge eines Aero-Spikes zur Reduzierung des
Widerstands infolge eines Bugstoßes korreliert mit dem Öffnungswinkel
eines Bugstoßes
und der Querschnittsfläche
einer Stirnfläche
des Flugkörpers.
Eine Verringerung einer Länge
eines Aero-Spikes unter ein kritisches Maß kann bedeuten, dass der Bugstoß radial
außenliegend
in unerwünschter
Weise auf die Stirnfläche
des Flugkörpers
auftrifft, wodurch die gewünschte,
den Widerstand reduzierende Wirkung des Aero-Spikes vermindert ist.
Dies kann durch die Anordnung mehrerer nebeneinander liegender Aero-Spikes vermieden
werden.
- – Andererseits
kann bei Bewegung lediglich eines Aero-Spikes temporär eine unsymmetrische
Massenverteilung vorhanden sein und/oder die auf den Flugkörper wirkenden
Strömungskräfte veränderlich
oder unsymmetrisch sein, was zu einer Abweichung der Bahn des Flugkörpers von
einer vorbestimmten Bahn führen
kann sowie Fluginstabilitäten
verursachen kann. Bei Anordnung mehrerer Aero-Spikes kann dafür Sorge
getragen werden, dass sich derartige Masseeffekte sowie an den Aero-Spikes
erzeugte Kräfte
gegenseitig zumindest weitestgehend aufheben. Beispielsweise können bei
translatorischer Bewegung der Aero-Spikes jeweils Paare von Aero-Spikes
gegenläufig
bewegt werden. Ebenfalls möglich
ist die Bewegung von mehreren Aero-Spikes auf einer Kreisbahn oder
mehreren Kreisbahnen, wobei vorzugsweise die Aero-Spikes gleichmäßig über den
Umfang der einen oder mehreren Kreisbahnen verteilt sind, insbesondere
Aero-Spikes sich auf der Kreisbahn gegenüberliegend angeordnet sind.
- – Durch
eine Anordnung mehrerer Aero-Spikes kann die erforderliche Wirkung
auf mehrere Aero-Spikes aufgeteilt werden, wodurch diese verringert
dimensioniert werden können,
so dass auch die lokalen Rückwirkungen
eines einzelnen Aero-Spikes auf das Informationserfassungsorgan
verringert werden können.
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Entsprechend
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Aero-Spikes
oder ist ein Aero-Spike um eine Längsachse des Flugkörpers auf
einer Kreisbahn bewegbar. Beispielsweise kann ein gesamter Dom,
an dem die Aero-Spikes befestigt sind, verdrehbar um die Längsachse
des Flugkörpers angeordnet
sein, wodurch eine gemeinsame drehbare Lagerung oder Abstützung für sämtliche
Aero-Spikes gegeben sein kann. Ebenfalls möglich ist die drehbare Abstützung der
Aero-Spikes über
ein Tragelement, welches drehbar gegenüber dem Flugkörper gelagert
ist.
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Eine
weitere Verminderung eines Einflusses einer Behinderung der Informationserfassung
durch einen Aero-Spike kann dadurch erfolgen, dass der erfindungsgemäße Flugkörper eine
Synchronisationseinrichtung besitzt. Mit Hilfe der Synchronisationseinrichtung
erfolgt nicht eine ständige
Erfassung zumindest eines Informationsteilfelds, sondern vielmehr
werden die Informationen nach Maßgabe oder in Abhängigkeit
einer Bewegung oder Position mindestens eines Aero-Spikes gegenüber dem
Informationserfassungsorgan erfasst. Im einfachsten Fall bedeutet
dies, dass eine Informationserfassung über die Synchronisationseinrichtung
dann kurzzeitig deaktiviert wird, wenn sich ein oder mehrere Aero-Spikes
in einer ungünstigen
Relativlage gegenüber
dem Informationserfassungsorgan befinden, während die Synchronisationseinrichtung
die Informationserfassung wieder aktiviert, wenn der mindestens
eine Aero-Spike
das "Sichtfenster" des Informationserfassungsorgans
verlassen hat. Entsprechend ist es ebenfalls möglich, dass über eine
derartige Synchronisationseinrichtung Teilbereiche des erfassten
Informationsfelds, für
die bekannt ist, dass in diesen Teilbereichen die Informationserfassung
durch mindestens einen Aero-Spike beeinträchtigt ist, ausgeblendet werden.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann der Einfluss der Aero-Spikes auf die Informationserfassung
durch das Informationserfassungsorgan dadurch verringert werden,
dass eine Mittelungseinrichtung vorgesehen ist. In der Mittelungseinrichtung
können
erfasste Informationen des Informationserfassungsorgans für unterschiedliche
Positionen mindestens eines Aero-Spikes gemittelt werden. Sind die
Informationen in einer derartigen Position durch das Aero-Spike
gestört,
während
Informationen in mindestens einer weiteren Position infolge einer
veränderten
Relativstellung ungestört
sind, kann durch die Mittelung die Beeinträchtigung der erfassten Information
in der erstgenannten Position "herausgemittelt" werden.
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Zur
Gewährleistung
der Relativbewegung zwischen Aero-Spike und Informationserfassungsorgan
kann gemäß einem
ersten Vorschlag der Erfindung ein Antriebsaggregat vorgesehen sein.
Ein derartiges Antriebsaggregat kann von einer Leistungsversorgung
des Flugkörpers
mit Energie gespeist sein.
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In
vorteilhafter alternativer oder kumulativer weiterer Ausgestaltung
der Erfindung ist eine Bewegung des mindestens einen Aero-Spikes
gegenüber dem
Informationserfassungsorgan strömungsinduziert,
so dass in dem Flugkörper
zumindest unmittelbar keine Leistungsversorgung für die Erzeugung
der Bewegung vorzusehen ist.
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Für eine einfache
beispielhafte Ausgestaltung kann eine strömungsinduzierte Bewegung dadurch
erfolgen, dass der Aero-Spike oder eine Stirnfläche oder ein Dom, an der oder
dem die Aero-Spikes befestigt sind, zum einen mit einem Drehfreiheitsgrad
gegenüber
dem Flugkörper
abgestützt sind
und zum anderen mindestens ein Strömungsleitelement aufweisen,
welches permanent oder in einzelnen Flugbedingungen oder selektiv über eine Steuereinheit
aktivierbar Strömungskräfte und
Momente induziert, die eine Verschwenkung um den rotatorischen Freiheitsgrad
bewirken. Eine derartige Ausgestaltung ist besonders einfach ohne
Anordnung etwaiger Aktuatoren, die einen vergrößerten Regelaufwand erfordern,
das Gesamtgewicht des Flugkörpers
unnötig
erhöhen
und die Leistungszufuhr einer Energiequelle benötigen, möglich.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung
genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer
Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ
zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen
erzielt werden müssen.
Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten
Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander
sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen.
Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen
der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls
abweichend von den gewählten
Rückbeziehungen
der Patentansprüche
möglich
und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in
separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung
genannt werden. Diese Merkmale können
auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso
können in
den Patentansprüchen
aufgeführte
Merkmale für weitere
Ausführungsformen
der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter
bevorzugter Ausführungsbeispiele
weiter erläutert
und beschrieben.
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1 zeigt
eine beispielhafte Übersicht grundsätzlich möglicher
Gestaltungsmöglichkeiten für Aero-Spikes
gemäß dem Stand
der Technik in einer Seitenansicht.
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2 zeigt
eine Seitenansicht einer herkömmlichen
Gestaltung eines Flugkörpers
mit einem sphärischen
Dom, hinter dem ein Informationserfassungsorgan angeordnet ist.
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3 zeigt
eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Flugkörpers mit
mehreren zueinander versetzt angeordneten Aero-Spikes, die von einem
ein Informationserfassungsorgan stirnseitig abdeckenden Dom getragen sind.
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4 zeigt
den Flugkörper
gemäß 3 in einer
Stirnansicht.
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5 zeigt
einen schematischen Längsschnitt
eines erfindungsgemäßen Flugkörpers, bei dem
ein Dom verdrehbar gegenüber
einer Längsachse
eines Grundkörpers
gelagert ist, wobei der Dom mehrere Aero-Spikes trägt.
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6 zeigt
einen schematischen Längsschnitt
eines erfindungsgemäßen Flugkörpers, bei dem
ein Dom fest gegenüber
einem Grundkörper
des Flugkörpers
abgestützt
ist. und mehrere Aero-Spikes über
ein Tragelement verdrehbar gegenüber
dem Grundkörper
gelagert sind.
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7 zeigt
einen schematischen Längsschnitt
eines erfindungsgemäßen Flugkörpers, bei dem
ein Dom verdrehbar gegenüber
einer Längsachse
eines Grundkörpers
gelagert ist und der Dom mehrere Aero-Spikes trägt, wobei Kräfte und
Momente zur Erzeugung einer Rotationsbewegung durch Strömungsleitelemente
im Bereich des Doms erzeugt werden.
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8 zeigt
einen schematischen Längsschnitt
eines erfindungsgemäßen Flugkörpers, bei dem
ein Dom fest gegenüber
einem Grundkörper
des Flugkörpers
abgestützt
ist und mehrere Aero-Spikes über
ein Tragelement verdrehbar gegenüber
dem Grundkörper
gelagert sind, wobei Kräfte
und Momente zur Verdrehung der Aero-Spikes über Strömungsleitelemente erzeugt werden,
die von dem Tragelement getragen sind.
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9 zeigt
einen schematischen Längsschnitt
eines erfindungsgemäßen Flugkörpers, bei dem
ein Dom verdrehbar gegenüber
einer Längsachse
eines Grundkörpers
gelagert ist, wobei der Dom mehrere Aero-Spikes trägt und Kräfte und
Momente zur Verdrehung von Dom und Aero-Spikes durch Strömungsleitelemente
erzeugt werden, die von den Aero-Spikes getragen sind.
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10 zeigt
einen schematischen Längsschnitt
eines erfindungsgemäßen Flugkörpers, bei dem
ein Dom verdrehbar gegenüber
einer Längsachse
eines Grundkörpers
gelagert ist, wobei der Dom mehrere Aero-Spikes trägt und Kräfte und
Momente zur Verdrehung des Doms mit den Aero-Spikes durch abgeschrägte Stirnflächen der
Aero-Spikes erzeugt werden.
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11 zeigt
eine stirnseitige Ansicht eines Flugkörpers gemäß 9.
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12 zeigt
ein schematisches Blockschaltbild für die Bauelemente und die Funktionsweise
im Zusammenhang mit einer Informationserfassung für eine Relativbewegung
zwischen Aero-Spike(s) und Informationserfassungsorgan.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Die
Erfindung betrifft einen Flugkörper 1.
Bei einem derartigen Flugkörper
handelt es sich insbesondere um eine Rakete, eine Drohne oder einen Flugkörper, der
wenigstens über
einen Teil seiner Flugbahn durch einen Antrieb selbstangetrieben
ist, beispielsweise durch ein Düsentriebwerk,
und welcher sowohl den Brennstoff als auch ein Oxidationsmittel
dafür trägt. Hierbei
handelt es sich insbesondere um einen nach dem Start gelenkten Flugkörper, der
sich lediglich in der Luft bewegen kann oder auch zumindest teilweise
im Wasser. Der Flugkörper
bewegt sich zumindest teilweise in der Luft mit Überschallgeschwindigkeit. Gleichermaßen kann
es sich bei dem Flugkörper
um ein Fluggerät,
Luftfahrzeug oder Kampfflugzeug handeln.
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Der
Flugkörper
1 ist
mit mindestens einem Aero-Spike
2 ausgestattet. Unter einem "Aero-Spike" wird im Sinne der
Erfindung insbesondere ein Strömungsleitelement
verstanden, welches mittels eines lokalen, in Flugrichtung reduzierten
Stroms den effektiven Schlankheitsgrad des Fluggerätes erhöht und den
Bugwiderstand reduziert. Die Erzeugung eines derartigen lokalen
Stroms am Bug des Flugkörpers
wird dabei beispielsweise direkt mittels so genannter "Jet Spikes" (oft als "Counterflow-Jet" bezeichnet, vgl.
z. B. [4]) durchgeführt
oder direkt durch eine Manipulation der Gesamtdruckverteilung in
der Atmosphäre,
die in Wechselwirkung mit diesem Bugstoß zur Bildung einer Rezirkulationsblase
führt.
Zum letzten Typ gehören
außer
konventionellen stabförmigen
Spike-Elementen am Bug auch Anwendungen mit optischer, elektrischer
und elektromagnetischer Strömungserhitzung
mittels "Beam-Spikes" (bekannt auch als "Energy Deposition
Control" o. ä., vgl.
auch [4], [5]). Weiterhin können
unter einen Aero-Spike
2 im Sinne der Erfindung auch sämtliche
aus der nicht vorveröffentlichten
Anmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen
DE 10 2006 003 638.7 bekannten Ausgestaltungsformen
von Aero-Spikes, deren Längsachse
verschwenkbar zur Hauptlängsachse des
Flugkörpers
1 gestaltet
ist, um eine Reduzierung des Widerstands bei Schräganströmung zu
erreichen, subsumiert werden.
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Als
mögliche
Typen von Aero-Spikes 2 können stumpfe oder spitze Spikes,
Aero-Spikes mit Discs, Kugeln oder Kegeln oder auch mit dessen Kombination
an der Nase, sowie in Flugrichtung austretende Plasma-, Flüssigkeits-
oder Gasstrahlen eingesetzt werden, dies auch in Verbindung mit
einem schwenkbaren Dom oder auch an beweglichen separaten Gerüsten oder
Schlitten. 1 zeigt beispielhaft unterschiedliche
Ausgestaltungsformen für prinzipielle
Grundkonfigurationen eines Aero-Spikes an einem Dom eines Flugkörpers 1,
nämlich:
- – einen
Aero-Spike 2a mit konstantem Querschnitt, der beispielsweise
zylinderförmig
ausgebildet ist,
- – einen
Aero-Spike 2b mit dreieckförmigem Längsschnitt oder kegelförmiger Konfiguration,
- – einen
Aero-Spike 2c mit einer sphärischen Verdickung an dem distalen
Ende,
- – einen
Aero-Spike 2d mit einem angespitzten oder kegelförmigen Endbereich
und einem mittigen Teilbereich konstanten Querschnitts,
- – einen
Aero-Spike 2e mit einer Verdickung des distalen Endes,
die im Längsschnitt
ungefähr
dreieckförmig
mit in Flugrichtung orientierter Spitze ausgebildet ist und
- – einen
Aero-Spike 2f mit einer Verdickung im distalen Endbereich
in Form einer Scheibe.
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Auch
aus
DE 199 53 701
A1 bekannte abweichende Geometrien von Aero-Spikes und
Aufsätze
können
erfindungsgemäß eingesetzt
werden.
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Der
Flugkörper 1 ist
beispielsweise dafür
bestimmt, nach dem Zurücklegen
einer Flugbahn ein bewegtes oder ruhendes Zielobjekt zu Lande, zu Wasser
oder in der Luft zu erfassen, charakteristische Eigenschaften dieses
Zielobjekts wie ein Wärmebild,
einen Ort oder eine Geometrie zu erfassen oder ein derartiges Zielobjekt
zu treffen, wie beispielsweise ein als Rakete 3 ausgebildetes
Zielobjekt.
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Der
Flugkörper 1 besitzt
im Bereich einer vorderen Stirnfläche 4 ein Informationserfassungsorgan 5,
beispielsweise einen Zielsuchkopf, über den die Position des Zielobjekts
relativ zu dem Flugkörper 1 erfasst
werden kann. Der Flugkörper 1 besitzt
eine Steuereinrichtung 6, über die, beispielsweise nach Maßgabe der
von dem Informationserfassungsorgan 5 ermittelten Informationen,
Lenkelemente 7 des Flugkörpers 1 angesteuert
werden können
mit dem Ziel, dass sich der Flugkörper 1 dem Zielobjekt
weiter nähert.
Die vordere Stirnfläche 4 ist
mit einem im Wesentlichen teilkugelförmigen Dom 8 gebildet,
der eine geeignete Wandung und ein Material besitzt, die eine Informationserfassung
für das
Informationserfassungsorgan 5 durch den Dom 8 hindurch
ermöglicht. Der
Dom 8 geht unter Abdichtung und vorteilhafter aerodynamischer
Gestaltung in eine zylinderförmige Mantelfläche 9 des
Flugkörpers 1 über.
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3 und 4 zeigen
einen erfindungsgemäßen Flugkörper 1,
bei dem versetzt zu einer Längsachse 10-10 des
Flugkörpers
mehrere parallel zueinander orientierte Aero-Spikes zum Einsatz kommen.
Hierdurch wird stromaufwärts
der Stirnfläche 4 und
des Doms 8 von den Aero-Spikes 2 mindestens eine
Stirnfläche
geschaffen, die zur Folge hat, dass ein Bugstoß 11 zumindest teilweise
an der Stirnfläche 4 und
dem Dom 8 vorbeigelenkt wird, was eine Reduzierung des
Widerstands zur Folge hat. Aus 4 ist ersichtlich,
dass für
das dargestellte Ausführungsbeispiel
vier Aero-Spikes 2 mit gleichem Abstand von der Längsachse 10-10 angeordnet
sind und gleichmäßig in Umfangsrichtung
verteilt sind. Die Aero-Spikes 2 sind gegenüber dem
Informationserfassungsorgan 5 in eine Bewegungsrichtung 12 relativbeweglich,
hier auf einer Kreisbahn um die Längsachse 10-10.
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Für das in 5 dargestellte
Ausführungsbeispiel
sind Aero-Spikes 2 an einer Stirnfläche 4 oder einem Dom 8 befestigt,
der über
eine geeignete Lagerung 13 verdrehbar gegenüber einem
Grundkörper 14 des
Flugkörpers 1 gelagert
ist. Das Informationserfassungsorgan 5 wird hierbei von
dem Grundkörper 14 fest
gehalten, so dass sich bei einer Bewegungsrichtung 12 von
Dom 8 und Stirnfläche 4 infolge der
Lagerung 13 eine Relativverschiebung der Aero-Spikes 2 gegenüber dem
Informationserfassungsorgan 5 auf einer Kreisbahn ergibt.
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Für das in 6 dargestellte
Ausführungsbeispiel
ist abweichend die Stirnfläche 4 oder
der Dom 8 fest von dem Grundkörper 14 gehalten.
Die Aero-Spikes 2 sind in diesem Fall von mindestens einem
Tragelement 15 gehalten, welches über eine Lagerung 16 mit
einem Verdreh-Freiheitsgrad um die Längsachse 10-10 gegenüber dem
Grundkörper
abgestützt
ist. Sowohl Geometrie als auch Material des Tragelements 15 sind
geeignet gewählt,
um Beeinträchtigungen
der Informationserfassung durch das Informationserfassungsorgan 5 gering
zu halten. Beispielsweise kann das Tragelement 15 mit dünnen "Armen" gebildet sein, die
somit nur ein kleines Segment der Stirnfläche 4 des Flugkörpers 1 überdecken.
-
Für das in 5 oder 6 dargestellte Ausführungsbeispiel
kann eine Verursachung einer Bewegung von Stirnfläche 4 oder
Dom 8 und Aero-Spikes 2 über einen geeigneten Aktuator
erfolgen. In alternativer Ausgestaltung können gemäß 7 von der
Stirnfläche 4 oder
dem Dom 8 Strömungsleitelemente 17 radial
nach außen
oder in beliebige Richtung gebildet sein, auf die die Strömung im
Flugbetrieb des Flugkörpers 1 eine
Kraft ausübt,
die eine Rotation um die Längsachse 10-10 bewirkt. 8 zeigt
für eine
im Wesentlichen 6 entsprechende Ausgestaltung
eine Anordnung von entsprechenden Strömungsleitelementen 17 im
Bereich der Tragelemente 15.
-
Für sämtliche
dargestellten Ausführungsformen
können
auch im Bereich der Aero-Spikes 2 Strömungsleitelemente 17 vorgesehen
sein, beispielsweise ausgehend von einer vorderen Stirnfläche der Aero-Spikes 2,
vgl. 9.
-
Ebenfalls
möglich
ist für
sämtliche
Ausführungsformen,
dass ein Strömungsleitelement 17 in Form
einer abgeschrägten
Stirnfläche
eines Aero-Spikes 2 ausgebildet ist, s. 10.
-
11 zeigt
die Strömungsleitelemente
gemäß der Ausführungsform
der 8 in einer Stirnansicht.
-
12 zeigt
in einem schematischen Blockschaltbild Komponenten einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung
sowie deren Wechselwirkung. Eine Steuereinrichtung 6 beaufschlagt
Lenkelemente 7, um eine Flugbahn des Flugkörpers 1 zu
beeinflussen. Weiterhin sind Aero-Spikes 2 vorgesehen,
deren Positions- oder Bewegungssignal der Steuereinrichtung 6 zugeführt wird.
Weiterhin ist es möglich,
dass die Steuereinrichtung 6, ggf. unter Zwischenschaltung
eines geeigneten Aktuators, die Bewegung der Aero-Spikes 2 steuert
oder regelt. 12 zeigt weiterhin das Informationserfassungsorgan 5,
dessen erfasste Informationen ebenfalls der Steuereinrichtung 6 zugeführt werden.
In der Steuereinrichtung 6 kann eine Synchronisationseinrichtung 18 vorhanden sein,
die die Informationserfassung durch das Informationserfassungsorgan 5 bzw.
die Weiterverarbeitung der erfassten Informationen an eine Bewegung oder
Position der Aero-Spikes 2 anpasst. Die erfassten Informationen
werden, ggf. unter Zwischenverarbeitung, an eine Auswerteeinrichtung 19 weitergegeben,
in der die Informationen des Informationserfassungsorgans 5 in
geeigneter Form aufgearbeitet werden. Hierzu kann die Auswerteeinrichtung 19 eine Mittelungseinrichtung 20 besitzen.
Die erfassten und ausgewerteten Informationen können wiederum von der Steuerungseinrichtung 6 genutzt
werden, um die Lenkelemente 7 geeignet zur Annäherung an
ein Zielobjekt anzusteuern. Optional ist weiterhin möglich, dass
die ausgewerteten Informationen von der Auswerteeinrichtung 19 an
eine Speichereinrichtung 21 übergeben werden. Ebenfalls
optional möglich
ist eine Übertragung
von Informationen über
eine Übertragungseinrichtung 22,
beispielsweise an eine Bodenstation.
-
- 1
- Flugkörper
- 2
- Aero-Spike
- 3
- Rakete
- 4
- Stirnfläche
- 5
- Informationserfassungsorgan
- 6
- Steuereinrichtung
- 7
- Lenkelement
- 8
- Dom
- 9
- Mantelfläche
- 10
- Längsachse
- 11
- Bugstoß
- 12
- Bewegungsrichtung
- 13
- Lagerung
- 14
- Grundkörper
- 15
- Tragelement
- 16
- Lagerung
- 17
- Strömungsleitelement
- 18
- Synchronisationseinrichtung
- 19
- Auswerteeinrichtung
- 20
- Mittelungseinrichtung
- 21
- Speichereinrichtung
- 22
- Übertragungseinrichtung