DE1288447B - Space glider - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen pfeilförmigen Raumgleiter in Nur-Rumpf-Bauweise mit abgerundeter Rumpfspitze und annähernd elliptischem Rumpfquerschnitt.The invention relates to an arrow-shaped space glider in a fuselage-only construction with a rounded trunk tip and an approximately elliptical trunk cross-section.

In der Raumfahrttechnik besteht die Aufgabe, Raumfahrzeuge unbeschädigt auf die Erde zurückzubringen. Dieses Ziel kann grundsätzlich durch zweierlei Prinzipien verwirklicht werden.In space technology, the task is to keep spacecraft undamaged to bring back to earth. This goal can basically be based on two principles be realized.

Das heute übliche Verfahren ist der ballistische Wiedereintritt von unbemannten oder bemannten Raumfahrzeug-Kapseln, wobei große Verzögerungen (neunmal Erdbeschleunigung und mehr), verbunden mit starken aerodynamischen Erwärmungen, auftreten. Für die Landung als Endphase des Wiedereintrittes werden dabei vorzugsweise Bremsraketen und Bremsschirme verwendet. Die Landung findet im wesentlichen ungezielt auf dem Wasser oder Land in einem weitgestreckten Landegebiet statt, wobei dann zusätzliche Bergungsmaßnahmen (Schiffe, Flugzeuge oder Fahrzeuge zum Einholen und Rücktransport) erforderlich sind. Die Beanspruchung der Geräte bei Wiedereintritt und Landung schließt eine Wiederverwendung im allgemeinen aus.The procedure common today is ballistic re-entry of unmanned or manned spacecraft capsules, with large delays (nine times Acceleration due to gravity and more), combined with strong aerodynamic warming, appear. For the landing as the final phase of re-entry are preferred Brake rockets and parachutes used. The landing is essentially untargeted on the water or on land in an extensive landing area, whereby then additional rescue measures (ships, aircraft or vehicles for hauling in and Return transport) are required. The stress on the devices upon re-entry and landing generally precludes reuse.

Das zweite, heute noch nicht verwirklichte, aber angestrebte Wiedereintrittsprinzip bedient sich einer aerodynamisch tragenden Form des Raumfahrzeuges. Unter Ausnutzung einer aerodynamischen Gleitzahl kann eine flache Wiedereintrittsbahn mit geringen Verzögerungen und niedriger Erwärmung geflogen werden. Zweckmäßig ist dabei eine nach Geometrie und Flächenbelastung so weit flugzeugähnliche Konfiguration, daß damit anschließend an die sogenannte Wiedereintrittsphase auch eine aerodynamische, gezielte Gleitfluglandung möglich ist. Derartige Fluggeräte versprechen auf Grund ihrer geringen dynamischen und thermischen Beanspruchung beim Wiedereintritt die Möglichkeit einer Wiederverwendung.The second re-entry principle, which has not yet been implemented, but is aimed for makes use of an aerodynamically load-bearing form of the spacecraft. Taking advantage An aerodynamic glide ratio can be a flat re-entry trajectory with low Delays and low warming are flown. It is useful to have one in terms of geometry and wing loading, so far an aircraft-like configuration that so that, following the so-called re-entry phase, an aerodynamic, targeted glide landing is possible. Such aircraft promise due to their low dynamic and thermal stress on re-entry die Possibility of reuse.

Bisher bekannte Projekte derartiger landefähiger Geräte sehen folgende unterschiedliche Lösungen vor: a) ausfaltbare flexible Tragflügel in Form von Gleitsegeln, b) starre Tragflächen am zentralen Mittelrumpf, c) Deltaflügel in Nur-Flügel-Bauweise, ähnlich überschallflugzeugen (vgl. britische Patentschrift 647 779), bei denen jeder Längsschnitt des Flügels parallel zur Symmetrielinie ein übliches Flügelprofil aufweist und der Nutzraum durch den Flügel allein bereitgestellt wird. Alle erwähnten Lösungen zielen darauf ab, die erwünschte Gleitzahl des Raumflugkörpers und eine ausreichende aerodynamische Stabilität für Gleitflug und Landung bereitzustellen, die einem zylindrischen, quasi-zylindrischen oder stumpfen und für einen ballistischen Aufstieg konzipierten Raketenfahrzeug mangelt.Previously known projects of such landable devices see the following different solutions: a) foldable flexible wings in the form of paragliders, b) rigid wings on the central fuselage, c) delta wings in wing-only construction, similar to supersonic aircraft (see British Patent 647 779) in which each Longitudinal section of the wing parallel to the line of symmetry has a conventional wing profile and the usable space is provided by the wing alone. All the solutions mentioned aim to achieve the desired glide ratio of the spacecraft and a sufficient one provide aerodynamic stability for gliding and landing, which is a cylindrical, quasi-cylindrical or blunt and designed for a ballistic ascent Missile vehicle is missing.

Die Anordnung ausfaltbarer flexibler Gleitflächen verspricht zwar hinsichtlich des Baugewichtes Vorteile, hat aber den Nachteil eines komplizierten Ausspreiz-Mechanismus und heute noch nicht beherrschbarer, örtlich kritischer Erwärmung und aerodynamisch schwer übersehbarer Instabilitäten beim Entfaltungsvorgang.The arrangement of foldable flexible sliding surfaces is promising advantages in terms of structural weight, but has the disadvantage of being complicated Spreading mechanism and locally critical warming that is not yet controllable today and instabilities that are difficult to overlook aerodynamically during the deployment process.

Im Gegensatz dazu sind starre Tragflügel und auch Delta-Flügel-Konfigurationen sehr schwer. Ihr spezifisches Konstruktionsgewicht liegt bei dem derzeitigen Stand der Technik in der gleichen Größenordnung wie bei von Tragflächenflugzeugen und beträgt 30 bis 60 kg/m2 bezogen auf die aerodynamisch tragende Projektionsfläche.In contrast, both rigid airfoils and also delta wing configurations are very difficult. Your specific construction weight is at the current level technology in the same order of magnitude as that of hydrofoil aircraft and is 30 to 60 kg / m2 based on the aerodynamically load-bearing projection surface.

Erfahrungsgemäß macht das Tragflächengewicht 25 bis 30% des Zellengewichtes von Raumgleitern aus, wodurch der Impulsbedarf beim Aufstieg außer durch erhöhten Widerstand auch noch durch Vergrößerung der zu beschleunigenden Massen erheblich anwächst.Experience has shown that the wing weight makes up 25 to 30% of the cell weight from space gliders, which increases the need for momentum during ascent except through increased Resistance is also considerable due to the increase in the masses to be accelerated grows.

Die Größe der erforderlichen Flügel bei einem Raumgleiter ist in erster Linie durch die Forderung nach aerodynamischer Stabilität gegeben, im Gegensatz zu klassischen Luftfahrzeugen, bei denen die Flächenbelastung bei Start und Landung das Kriterium für die Flügelbemessung ist. Ein zylindrischer Rumpf einer Rakete ist aerodynamisch instabil. Windkanalmessungen führten zu der Erkenntnis, daß ein zylindrischer Rumpf eines Raumfahrzeuges zur Erzielung aerodynamischer Stabilität um die Querachse mit Zusatzflächen ausgestattet werden muß, die zwischen 50 und 80% der Projektionsfläche des Rumpfes ausmachen.The size of the wings required on a space glider is paramount Line given by the requirement for aerodynamic stability, in contrast to classic aircraft, where the wing loading during take-off and landing is the criterion for sash dimensioning. A cylindrical fuselage of a rocket is aerodynamically unstable. Wind tunnel measurements led to the finding that a cylindrical body of a spacecraft to achieve aerodynamic stability around the transverse axis must be equipped with additional surfaces between 50 and Make up 80% of the projection area of the fuselage.

Der Rumpf eines Raumfahrzeuges, der seinerseits vorwiegend aus den Kraftstoffbehältern besteht, ist aber selbst, bedingt durch den hohen Massenanteil des Treibstoffes in Verbindung mit den meistens sehr niedrigen spezifischen Gewichten hochenergetischer Kraftstoffe (H2 Verbrennung), sehr voluminös und hat entsprechend eine sehr große aerodynamisch mittragende Projektionsfläche. Bei Ergänzung dieser Rumpffläche durch die aus Stabilitätsgründen erforderlichen großen Flügelflächen würden sich bei leergeflogenen Behältern so niedrige Flächenbelastungen ergeben, wie sie für die Landung selbst nicht unbedingt erforderlich wären.The fuselage of a spacecraft, which in turn consists primarily of the Fuel tanks exist, but is itself, due to the high mass fraction of the fuel in connection with the mostly very low specific weights high-energy fuels (H2 combustion), very voluminous and has accordingly a very large aerodynamically load-bearing projection surface. When completing this Fuselage area due to the large wing areas required for reasons of stability such low wing loads would result from empty-flown containers, as they would not be absolutely necessary for the landing itself.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine überdimensionierung der tragenden Fläche und die mit ihr verbundene unerwünschte Zellengewichtserhöhung zu vermeiden und den Rumpf in seiner Form so zu gestalten, daß er auch ohne Zusatzflächen weitgehend eigenstabil ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rumpf ein stumpfes Heck besitzt und die Rumpfseitenteile durch pfeilförmig angeordnete prismatische Treibstoffbehälter gebildet werden, zwischen denen ein weiterer keilförmiger Treibstoffbehälter eingesetzt ist. Erhöhte Stabilisationsanforderungen, die beim Landeanflug mit niedrigen Landegeschwindigkeiten auftreten, werden durch zusätzliche Anordnung von Stabilisierungsgebläsen im Heck erfüllt, die damit Zusatzflügel überflüssig machen und diesen gegenüber Gewichtsvorteile ergeben. Die die Erfindung kennzeichnende stumpfe Hinterkante des Rumpfes ist für den Einbau der Stabilisierungsgebläse besonders günstig.The object of the invention is to oversize the load-bearing Area and the associated undesirable increase in cell weight and to design the shape of the fuselage so that it is largely without additional surfaces is inherently stable. This object is achieved according to the invention in that the fuselage has a blunt stern and the fuselage side parts by arrow-shaped arranged prismatic fuel tanks are formed, between which another wedge-shaped Fuel tank is inserted. Increased stabilization requirements that the Landing approaches with low landing speeds are caused by additional Arrangement of stabilizing fans in the rear is fulfilled, making the additional wings superfluous make and result in weight advantages compared to this. The characteristic of the invention The blunt rear edge of the fuselage is especially useful for installing the stabilization fan cheap.

Das beschriebene Raumfahrzeug ist durch die folgenden Vorteile gekennzeichnet: 1. Niedriges Gewicht durch Gestaltung des Raumflugkörpers als schlanker Keil mit stumpfer Heckfläche, wodurch im Gegensatz zu einem zylindrischen Rumpf aerodynamische Stabilität ohne zusätzliche schwere Flügelflächen erreicht wird.The spacecraft described is characterized by the following advantages: 1. Low weight thanks to the design of the spacecraft as a slim wedge blunt stern surface, which makes it aerodynamic in contrast to a cylindrical fuselage Stability is achieved without additional heavy wing surfaces.

2. Ersatz der üblicherweise für die erhöhten Stabilisierungsanforderungen während eines langsamen Landeanfluges erforderlichen Zusatzflächen durch leichte Strahlstabilisatoren, die gegenüber Zusatzflächen nennenswerte Gewichtsvorteile haben.2. Replacement of the usual for the increased stabilization requirements additional areas required during a slow landing approach due to light Beam stabilizers that significant weight advantages compared to additional areas to have.

3. Extreme Pfeilwinkel gestatten an Stelle scharfer Flügelnasen stumpfe elliptische Kanten, da die übliche Flügelnase zur Mantellinie eines schlanken Keils wird. Die Wiedereintrittstemperaturen werden damit niedriger und leichter beherrschbar.3. Extreme arrow angles allow blunt wing noses instead of sharp ones elliptical edges, as the usual wing nose to the surface line of a slim wedge will. The re-entry temperatures are thus lower and easier to control.

4. Die Form des Fluggerätes als flacher Keil mit elliptischem Spantquerschnitt ergibt günstige Widerstände in allen Flugphasen und ausreichende Gleitzahlen für den Landevorgang. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt F i g. 1 eine perspektivische Darstellung, F i g. 2 einen Querschnitt längs der Linie b-b der F i g. 5, F i g. 3 eine Rückansicht, F i g. 4 einen Seitenriß, F i g. 5 einen Aufriß, F i g. 6 ein Einbauprinzip eines Stabilisierungsgebläses.4. The shape of the aircraft as a flat wedge with an elliptical frame cross-section results in favorable resistances in all flight phases and sufficient glide ratios for the landing process. An embodiment of the invention is shown in the drawing. Here, FIG. 1 is a perspective view, FIG. 2 a cross section along the line b-b of FIG. 5, Fig. 3 is a rear view, FIG. 4 a side elevation, F i g. 5 is an elevation, FIG. 6 shows an installation principle of a stabilizing fan.

Die äußere Gestalt des Raumgleiters ist durch zwei prismatische, pfeilförmig angeordnete Behälter 5, 6 für den Brennstoff (H2) und einen dazwischen angeordneten keilförmigen Behälter 7 für den Oxydator (z. B. 02) bestimmt und weist dadurch einen elliptischen Querschnitt auf. Der Raum vor dem Behälter 7 kann zur Unterbringung von Nutzlast und für einen Bremsschirm verwendet werden. An der Spitze ist eine Kabine 8 und am rückseitigen Ende ein Raketenmotor 9 vorgesehen. Der Pfeilwinkel beträgt etwa 80 bis 85°.The outer shape of the space glider is two prismatic, arrow-shaped arranged container 5, 6 for the fuel (H2) and one arranged between them wedge-shaped container 7 for the oxidizer (z. B. 02) intended and thereby has a elliptical cross-section. The space in front of the container 7 can be used for accommodation can be used by payload and for a braking parachute. At the top is one Cabin 8 and a rocket motor 9 provided at the rear end. The arrow angle is about 80 to 85 °.

Zur Steuerung während des Schnellfluges dienen Höhen- und Seitenruderklappen 10, 11. Sie können je nach Erfordernis gleichsinnig, einseitig oder gegensinnig betätigt werden. Im gespreizten Zustand dienen sie als Bremsklappen. Die Steuerflächen sind so bemessen, daß sie nur in einem Geschwindigkeitsbereich über etwa 600 km/h die aerodynamische Stabilität und Steuerfähigkeit gewährleisten. Im Langsamflug und während der Landung, wenn die auf diese Klappen wirkenden aerodynamischen Kräfte nicht zur Steuerung und Stabilisierung ausreichen, wird das Fluggerät mit Hilfe von Steuerstrahlen (Strahlimpulsen) manövriert.Elevator and rudder flaps are used for control during high-speed flight 10, 11. Depending on requirements, they can be in the same direction, one-sided or in opposite directions be operated. When spread, they serve as airbrakes. The control surfaces are dimensioned so that they can only be used in a speed range above about 600 km / h ensure aerodynamic stability and controllability. In slow flight and during landing, when the aerodynamic forces acting on these flaps are not sufficient for control and stabilization, the aircraft is with help maneuvered by control beams (beam pulses).

Die flugtechnische Verwendung von Gebläsen oder Bläsern, durch die Luft in großen Mengen angesaugt und beschleunigt ausgestoßen wird, ist an sich bekannt. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil des geringeren Brennstoffverbrauches gegenüber Antrieben, bei denen der Rückstoß durch aus Verbrennung flüssiger oder fester Brennstoffe entstandenen heißen, mit hoher Geschwindigkeit aus einer Schubdüse ausgestoßenen Gase erfolgt. Um mit den vorgeschlagenen Bläsern eine Steuerung um die drei Flugachsen zu erreichen, benötigt man für eine Plus-Minus-Steuerung bisher sechs Bläser, sofern man nicht eine konstruktiv aufwendige Blattverstellung der Bläserschaufeln vorsieht, durch die wie bei einem Verstellpropeller die Richtung der beschleunigten Luft umgekehrt werden kann. Man kann jedoch mit drei Bläsern auskommen, wenn die Bläser die beschleunigte Luft in eine Kammer drücken, aus der sie mit Hilfe von wechselweise zu öffnenden oder zu schließenden Durchlässen, z. B. Jalousieklappen, nachentgegengesetzten Richtungen ausgeblasen wird.The aeronautical use of blowers or blowers through which Air is sucked in in large quantities and expelled at an accelerated rate is known per se. Such an arrangement has the advantage of lower fuel consumption Propulsion systems in which the recoil is caused by burning liquid or solid fuels hot, ejected at high speed from a thrust nozzle Gases takes place. To control the three axes of flight with the proposed blowers To achieve this, you previously needed six wind instruments for plus-minus control, provided that a structurally complex blade adjustment of the fan blades is not provided, by reversing the direction of the accelerated air as with a controllable pitch propeller can be. However, you can get by with three wind instruments if the wind instrument accelerates it Press air into a chamber, from which it can be opened with the help of alternately or passages to be closed, e.g. B. Louvre flaps, in opposite directions is blown out.

Das Steuerprinzip sei an Hand der F i g. 6, die schematisch einen Vertikalschnitt durch das Rumpfende des Raumfahrzeuges darstellt, erläutert. In der rückseitigen Rumpfwand ist ein Gebläse oder Bläser eingebaut, durch das die atmosphärische Luft in die Kammer 2 gepumpt wird. Die Seitenwände der Kammer 2 sind mit Jalousieklappen 3, 4 versehen, die wechselweise geöffnet oder geschlossen werden können. Bei der Einstellung der Klappen gemäß F i g. 6 wird die angesaugte Luft nach oben ausgestoßen, so daß auf das Rumpfende ein nach unten gerichteter Impuls ausgeübt wird. Ein entgegengesetzt gerichteter Impuls ergibt sich, wenn die Jalousieklappen 3 geschlossen und die Klappen 4 geöffnet werden. Die Bläser 12 bis 14 des Raumfahrzeuges nach F i g. 1 bis 5, die dem Bläser 1 der F i g. 6 entsprechen, werden in Betrieb genommen, wenn die auf die Höhen- und Seitenruderklappen 11 und 10 wirkenden aerodynamischen Kräfte nicht zur Steuerung und Stabilisierung ausreichen. Der Ausstoß der durch diese Bläser gepumpten Luft erfolgt nach dem an Hand der F i g. 6 erläuterten Prinzip durch die in den seitlichen Rumpfbereichen bzw. in dem Seitenleitwerk 15 angebrachten Jalousicklappen 12' bis 14'. The control principle is based on FIG. 6, which schematically shows a vertical section through the end of the fuselage of the spacecraft. A blower or blower through which the atmospheric air is pumped into the chamber 2 is built into the rear wall of the fuselage. The side walls of the chamber 2 are provided with louvre flaps 3, 4 , which can be opened or closed alternately. When adjusting the flaps according to FIG. 6, the sucked in air is expelled upwards, so that a downward impulse is exerted on the end of the fuselage. An oppositely directed impulse results when the louvre flaps 3 are closed and the flaps 4 are opened. The fans 12-14 of the spacecraft of FIG. 1 to 5, which the wind player 1 of FIG. 6, are put into operation when the aerodynamic forces acting on the elevator and rudder flaps 11 and 10 are insufficient for control and stabilization. The air pumped by these blowers is expelled according to the method shown in FIG. 6 through the louvre flaps 12 ' to 14' attached in the lateral fuselage areas or in the rudder unit 15.

Claims (2)

Patentansprüche: 1. Pfeilförmiger Raumgleiter in Nur-Rumpf-Bauweise mit abgerundeter Rumpfspitze und annähernd elliptischem Rumpfquerschnitt, d adurch gekennzeichnet, daß der Rumpf ein stumpfes Heck besitzt und die Rumpfseitenteile durch pfeilförmig angeordnete prismatische Treibstoffbehälter gebildet werden, zwischen denen ein weiterer keilförmiger Treibstoffbehälter eingesetzt ist. Claims: 1. Arrow-shaped space glider in hull-only construction with a rounded trunk tip and an approximately elliptical trunk cross-section, due to this characterized in that the fuselage has a blunt stern and the fuselage side parts are formed by arrow-shaped arranged prismatic fuel tanks, between which another wedge-shaped fuel tank is used. 2. Raumgleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung und Steuerung des Raumfahrzeuges bei niedriger Geschwindigkeit und bei der Landung Bläsertriebwerke dienen, denen Kammern nachgeschaltet sind, aus denen die Luft mit Hilfe von wechselweise zu öffnenden und schließenden und einander gegenüberliegenden Durchlässen ausströmen kann.2. Space glider according to claim 1, characterized in that to stabilize and control the Spacecraft at low speed and when landing fan engines serve, which chambers are connected downstream from which the air with the help of alternately to be opened and closed and opposite passages flow out can.