DE2708891A1

DE2708891A1 - Hilfssteuergeraet fuer ein in einem stroemungsmittel gefuehrtes fahrzeug

Info

Publication number: DE2708891A1
Application number: DE19772708891
Authority: DE
Inventors: Stanley Leek
Original assignee: Hawker Siddeley Dynamics Ltd
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1976-02-26
Filing date: 1977-02-25
Publication date: 1977-10-06
Also published as: IT1077982B; SE7701934L; US4113204A; JPS535000A; GB1523963A; FR2342201A1

Description

Meissner & Meissner

PATENTANWALTSBURO BERLIN — MÜNCHEN

^* PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. W. MEISSNER (BLN) DIPL-ING. P. E. MEISSNER (MCHN) DIPL-ING. H.-J. PRESTING (BLN)

1 BERLIN 33, HERBERTSTR. 22

Ihr Zeichen Ihr Schreiben vom Unser Zeichen Berlin, den 2 5. F E B. 1977

An-27168-

Hawker Siddeley Dynamics Limited

Manor Road

Hatfield, Hertfordschire ALlO 9LL, England

Hilfssteuergerät für ein in- einem Strömungsmittel geführtes Fahrzeug

Die Erfindung bezieht sich auf das Steuern der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs in einem Strömungsmittel im allgemeinen und auf eine Einrichtung, durch die ein Fahrzeug aerodynamisch oder hydrodynamisch gesteuert werden kann, im besonderen.

Bei Fahrzeugen, die zunächst von einem Raketenantrieb oder dergl. angetrieben werden und danach vollständig antriebslos weiterfliegen, werden aerodynamische Hilfssteuerungen notwendig, wenn der Antriebsmotor Schubvektorenregelung mehr liefern kann, so daß das Fahrzeug dann in der antriebslosen und der Endphase geführt wird. Die Erfindung versucht eine verbesserte Einrichtung hierfür anzugebene

Bei geführten Geschossen ist die Hilfssteueranlage zum Arbeiten während der antriebslosen Phase nach dem Aus-

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BORO MÖNCHEN:	TELEX:	TELEGRAMM:	TELEFON:	BANKKONTO:	POSTSCHECKKONTO:
t MÖNCHEN 22	1-856 44	INVENTION	BERLIN	BERLINER BANK AQ.	W. MEISSNER, BLN-W
ST. ANNASTR. 11	INVEN d	BERLIN	030/885 60 37	BERLIN 31	122 82-109
TEL: 089/32 3544			030/886 2383	3695716000

brennen des Antriebs notwendig und bewirkt eine Dreiachsensteuerung (Steigung, Scheren und Schlingern) bei Geschwindigkeiten des Geschosses von etwa 1,2 Mach aufwärts· Eine höhere Betriebs-Machzahl aber nicht mehr als 1,5 Mach ist zulässig.

Die Schlingersteuerung während der unfallträchtigen Manoevrierphase unmittelbar nach dem Start des Geschosses ist erwünscht· Noch wünschenswerter ist eine ergänzende Dreiachsensteuerung während der schubvektorengesteuerten Mittelphase des Fluges, wenn diese zum Vereinfachen der Erfordernisse der Schubvektorensteuerung verwendet werden kann.

So weit wie möglich muß die HilfsSteuerung während des Anfangslaufkorrekturflugphase das aerodynamische Schubvektorensteuereinstellen nicht vorwegnehmen.

Die Hilfssteueranlage soll auch in den Grenzen des Startrohres enthalten sein können, ohne daß an der Geschoßgehäusekonstruktion unangenehme Folgen auftreten.

Die zusätzliche Größe und das Gewicht der Hilftssteueranlage muß so gering wie möglich gehalten werden.

Nach der Erfindung wird ein aerodynamisches oder hydrodynamisches Hilftssteuerflächengerät für ein durch ein Strömungsmittel bewegtes Fahrzeug angegeben, das mehrere einziehbare bogenförmige Steuerflächen besitzt, von denen jede schwenkbar ist, so daß sie um eine einzige Achse in entgegengesetzten Richtungen aus einer eingezogenen Stellung geschwenkt werden kann, um an dem einen oder dem anderen Ende aus einem Gehäuse mit praktisch rundem Quer-

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schnitt herauszutreten, indas sie eingezogen werden.

Jede Steuerfläche kann am Innenende eines Armes geführt werden, der sich an einem Gelenk an oder neben dem runden Umfang des Gehäuses befindet, der vom Gelenk in radialer dichtung des Gehäuses nach innen verläuft, wenn die Steuerfläche eingezogen ist, und der sich mit gleichem Abstand um den Gehäuserand herum dreht und dessen Schwenkachse parallel zur Längsachse des Gehäuses verläuft. Vorzugsweise ist jede Steuerfläche teilrundbogenförmig an der Jeweiligen Armschwenkachse zentriert. Er kann an gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Arms in gleicher Weise verlaufen und seine Bogenlänge ist so bemessen, daß seine entgegengesetzten Enden im eingezogenen Zustand beide genau in den Grenzen des Gehäuses liegen, so daß eine Bewegung des Armes in der einen oder der anderen dichtung das eine oder das andere Ende der Steuerfläche aus dem Gehäuse heraustreten läßt. Vorzugsweise gibt es drei solche Steuerflächen.

Eine solche Steuerflächeneinrichtung kann vorteilhaft in einem geführten Geschoß in Kopfsteuerausführung enthalten sein.

Anordnungen nach der Erfindung werden mit Hilfe der Zeichnungen beschrieben.
In diesen ist bzw. sind:

Figur 1a und 1b eine End- und Seitenansicht eines aerodynanIschen Hilftssteuergerätes;

Figur 2a und 2b Darstellungen der Schlingersteuerung bei einem solchen Gerät;

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Figur 3 ein Vektorendiagramm für Schlingerung Null;

Figur 4 die Seitenansicht eines mit einem solchen aerodynamischen Hllfsgerätes in Kopfsteuerausführung;

Figur 5 a und 5 b Steigungsmomentkurven für die Steuerflächenanordnung nach den Figuren 1a bis 4;

Figur 6 zeigen Steigungsmomentkurven für kritische Konstruktionen die bei Anordnungen der Figuren 1a und 4 eintreten;

Figur 7 a und 7b ein Diagramm der Druckverteilung in bezug auf eine Steuerfläche und das diagramm der zugehörigen Vektorensummierung; und

Figur 8 und 9 die Rück- und Seitenansicht einer Anordnung, bei der die Steuerfläche mit einem mit Getriebe versehenen Gegengewicht versehen ist.

Die aerodynamische Steuereinrichtung nach den Figuren 1a und 1b besteht aua drei einziehbaren bogenförmigen Flächen 11, die in einem festen Einfallswinkel zur Mittellinie 12 des Geschosses 13 liegen. Jede Fläche 11 wird am inneren Ende eines Armes 14 geführt, der von einer Schwenkhalterung 15 am Geschoßkörper oder neben dem Geschoßkörperrand z*ur Geschoßachse verläuft. Die Lager 15 sind gleichmäßig um den Geschoßkörperrand herum verteilt angeordnet.

Durch Schwenken des Armes 14 in jeder Sichtung um sein Lager 15 aus seiner neutralen radialen dichtung heraus wird die Fläche 11, die gehalten wird, in den Luftstrom

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getrieben, um sich in eine jeweils andere Richtung zu erheben. Die Steuerflächenbogen sind je am entsprechenden Drehpunkt des tragenden Arms zentriert, während bei neutraler Lage des Arms die bogenförmigen Flächen sich vollständig in der Umhüllung des Geschoßkörpers befinden. Die Bewegung eines Armes aus seiner neutralen Lage läßt das eine oder das andere Ende der bogenförmigen Fläche aus dem Geschoßkörper heraustreten.

Die Anlage ergibt somit drei alternative Paare von Kraftvektoren, die kombiniert unabhängig Steigungs- Scher- und Schlingbewegungen zu den drei Geschoßachsen ergeben können. Die Figuren 2a und 2b zeigen, wie durch Schwenken aller Arme 14- in einer Richtung ein Rechts- oder ein Links-Schlingern erfolgt.

Figur 3 zeigt das Vektorendiagramm für das Schlingern mit dem Wert Null, ^urch Bewegen eines Paares von Steuerflächen in entgegengesetzten Richtungen kann eine Scher— oder Steigbewegung ohne Bewirken eines Schlingerns erfolgen.

Figur 4 ist ein Diagramm eines aerodynamischen Hilfssteuergerätes 16 mit Kopfsteuerung bei einem Geschoß 13» das an seinem hinteren Ende Schubvektorensteuerung- und aerodynamische Flächen 17 besitzt· Der normale Nasenkonus 18 des Geschosses wird vorwärts bewegt, um das Gerät 16 zwischen der Nase und dem Hauptkörper des Geschosses aufzunehmen. Bei ganz eingezogenen Steuerflächen 11 des Gerätes 16 werden die aerodynamischen Steuerungen unverändert gelassen, so daß außer der Körperlängen- und Schwerpunktänderungen die Schubsteuerart des Betriebes unbeeinflußt ist.

Die Dreiecksform der Figuren 1a bis 4- wird der Vierecks-

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form aus zwei Gründen vorgezogen:

1·) Die maximale Spannweite der Steuerflächen würde in der Vierecksform sehr eingeengt werden.

2·) Die aerodynamischen Steuerungen werden wahrscheinlich stark nicht linear sein und somit ist die Steuertechnik des begrenzten Zyklus geeignet. Eine Dreiecksform vermeidet die Redunanz von Schalterfunktionen der Vierecksform (z.B. wie beim Martel-Geschoß, das die Schlingersteuerung an nur zwei Enden mit Stellungsausgleich an den anderen beiden anwendet).

Die Figuren 5a und 5b sind Kurven des Steigungsmoments gegen den Geschoßeinfallswinkel im Vergleich der Arbeitsweise der einziehbaren Steuerflächenkopfsteuerung mit einer üblichen Kopfsteuereinrichtung. Die Kurven 19»20 und 21 stellen in jedem Fall die neutrale Stellung aller Steuerflächen dar, die so eingestellt sind, daß sie ein maximales Aufsteigmoment ergeben. Bei der Kopfsteuerung mit einziehbaren Flächen bei einem Einfallswinkel von Null sind die Auf- und Absteigemomente verfügbar. Beim Ansteigen des Einfallswinkel steigt das Anheben bei einer Aufstiegssteuerfläche an, bis die Fläche stillsteht, während dies bei einer Abstiegsfläche verringert wird. Bei einen Einfall, von 90° würden beide Ausführungen stillstehen, und gleiche Aufstiege ergeben. Dagegen besitzt eine übliche Kopfsteuerung (Figur 5b) bei kleinen Einfallswinkeln einen mehr oder weniger konstanten statischen Rand (Differenz zwischen dem maximalen Aufstiegs- und Abstiegsneigungsmoments), so daß für eine Grundkonstruktion mit ähnlicher Konstruktion mit statischem Rand (bei einer Steuerabweichung von Null) das Geschoß aus der Aufstiegseinstellkraft (Kurve 20) bei einem kleineren Einfallswinkel als bei der einziehbaren Steuerfläche herauszulaufen versucht.

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Figur 6 zeigt die -^instellsituation der Steuerflächenanordnung bei der kritischen Konstruktion, z.B. beim Ausbrennen des oder der Raketenantriebe mit dem Schwerpunkt am weitesten vorn und genau über einer Fluggeschwindigkeit von 1,5 Mach. Die geschätzte Wirkung des Steuerflächenverlaufs wird in Figur 2 gezeigt. In größeren Höhen wird die Größe des Neigungsmoments (und somit der Steuerleistung) im Verhältnis des atmosphärischen Drucks der Umgebung verringert, aber das relative Einstellbild bleibt unverändert.

Figur 7a zeigt die geschätzte Druckverteilung rund um die einziehbaren Flächen 11 und dem benachbarten Geschoßkörper 13 beim Einfallswinkel Null und auch die resultierende Summierung des Kraftvektors. Eine Veränderung der Linie der Wirkung der resultierenden Kraft erfolgt zwischen der Strecke Null und voll, obwohl das Abgeben vom Ideal, ausgedrückt als Phasenfehler nicht über 10° oder 15° liegen soll. Beim Ansteigen des Einfallswinkels werden die aerodynamischen Belastungen relativ klein für die Steuerfläche nach den Figuren 1a und 1b, weil jede Fläche an einem runden Bogen um den Drehpunkt 15 als Mitte liegt. Kleine Belastungen ergeben sich wegen Unvollständigkeiten, Störung unter Belastung und aus aerodynamischer Belastung an den Spitzen der Steuerflächen (oder auch wegen der Belastungskomponenten, die an zugespitzten Flächen wirken). Beiträge aus diesen Quellen addieren sich wahrscheinlich bis zu 3 oder 4 Nm maximal, wie .Tolgt:

Moment aus der Belastung an der Spitze (angenommen ist ein nicht zugespitztes Blatt) » Druck χ Querschnittsfläche χ Momentarm ,- ρ ρ

1,5 χ 1Cr N/m χ 2 cm χ 5 cm ■ 1,5 NM max.

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Moment aus Fehlausrichtungen und Störung = Steuerflächenbelastung χ Verschiebung der Wirkungslinie 500 N χ 5 mm = 2,5 Nm max.

Ein einfaches» Ausgleichsgewicht ist nicht möglich, wenn ein Herausragen aus dem Geschoßkörper vermieden werden soll. Deshalb wird ein mit einem Getriebe versehene Massenausgleichseinrichtung notwendig. Die Figuren 8 und 9 zeigen eine solche Einrichtung zusätzlich zu einem Servomotorgetriebe für den primären Antrieb. Die Steuerfläche 11, die an ihrem Arm 14 getragen wird, schwingt am Drehpunkt I5 in der Form eine in Lagern 23 geführten Welle. Diese Welle wird von einem Servomotor 24 angetrieben, der über einem Getriebe 25 in der Geschoßnase 18 untergebracht ist· Unmittelbar hinter der Steuerfläche 11 wird ein Ausgleichsgewicht 26 von einem Arm

27 getragen, der sich an der in Lagern 29 laufenden Welle

28 dreht. Die Welle 28 wird von der Welle I5 über ein Getriebe 30 angetrieben. Die Stelle des maximalen Steuerflächenverlaufs wird in Figur 8 gezeigt. Es ist zu beachten, daß der Steuerarm 14 und das Ausgleichsgewicht 26 im Gehäuse des Gerätes bleiben. Allerdings liegt das zurückgezogene Gerät Im sei toralen Teil des Innenvolumens des Gerätes, das von den Ebenen 31 begrenzt ist und nichts geht über die Ebenen y\ hinaus, wobei nur die Steuerfläche 11 aus dem Gehäuse heraustritt.

Die Anordnung nach den Figuren 8 und 9 liegt beim größt mögichen Steuerflächenradius und einem etwas hoch eingestellten Einfallswinkel. Dieser Winkel wird in Figur 9 gezeigt und kann nicht in jedem Fall optimal sein, da der kritische Punkt bei etwa 15° des Geschoßeinfalls liegt und eine geringere Einfallseinstellung der Blätter

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könnte einen Blattstillstand vor dem erreichen dieses Einfallswinkels vermeiden.

Die Momente der Hilfssteuerflachengelenke erscheinen etwa die Hälfte der Steuerflächen am hinteren Ende des Geschosses zu sein. Die maximale Winkelabweichung der Hilfssteuerflächen ist jedoch etwa das Doppelte der hinteren Steuerblätter. Die Servomotoren sind von derselben Größe wie die für die hinteren Steuerungen und jeder Treibt über ein Getriebe mit einem kleineren Übersetzungsverhältnis an. Wenn zusätzlich thermische Batterien zur Energieerzeugung für die Hilfssteuerflächenservomotore während der antriebslosen Flugphase notwendig werden, können diese in demselben Gerät 16 untergebracht werden. In manchen Fällen können jedoch in der Anlagenversorgung der Steuermotore für das hintere Ende eine ausreichende Reservekapazität vorgesehen sein, um besondere Batterien überflüssig zu machen.

Die Erfindung besitzt folgende Vorteile: Die Verwendung rotierender Steuerblätter mit rundem Bogen, von denen jedes durch den Verlauf in der einen oder anderen Richtung in einer einzigen Bewegung Kräfte in jeder Richtung zu den Steuerachsen erzeugen kann. Durch die veränderbare Geometrie beim Betrieb wird die Steuerwirksamkeit bei großen Einfallswinkeln des Geschosses gehalten.

Die Anlage ergibt bei nur einem Gelenk sowohl eine Steuerung in zwei Richtungen wie auch ein Einziehen. Durch die Bewegung auf einem runden Bogen wird die Energie für den notwendigen Antrieb sehr klein gehalten.

- Patentansprüche - 10 -

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Claims

Meissner & Meissner

- PATENTANWALTS BÜRO

KRLlN — MÜNCHEN

PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. W. MEISSNER (BLN) DIPL-ING. P. E. MEISSNER (MCHN) DIPL-ING. H.-J. PRESTING (BLN)

1 BERLIN 33, HERBERTSTR. 22

- 10 -Ihr Zakhwi Ihr Schreib« vom UnMr Zeichen Berlin, den

An-27168-Patentansprüche

/ 1. , Aerodynamisches oder hydrodynamisches Hilfssteuer-V^fjXchengerät für ein durch ein Strömungsmittel geführtes Fahrzeug, gekennzeichnet durch mehrere einziehbare bogenförmige Steuerflächen (11), von denen jede in entgegengesetzten Richtungen aus der eingezogenen Stellung schwingt, wo sie an dem einen oder anderen Ende aus einem Gehäuse von rundem Querschnitt, in das sie sich einziehen, heraustritt.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Steuerfläche (11) am inneren Ende eines Armes (14·) getragen wird, der an einem Gelenk (15) an oder neben dem runden Umfang des Gehäuses angebracht ist, daß der Arm (14) vom Drehpunkt (15) in einer radial nach innen verlaufenden Richtung des Gehäuses verläuft, wenn die Steuerfläche (11) eingezogen ist, und daß die Armdrehpunkte (15) gleichmäßig um den Gehäuseumfang herum verteilt angeordnet sind und ihre Achsen parallel zur Längsachse des Gehäuses liegen.
3· Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

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BORO MÖNCHEN: TELEX: TELEGRAMM: TELEFON: BANKKONTO: POSTSCHECKKONTO: 8 MÖNCHEN & 1-8M44 INVENTION BERLIN BERLINER BANK AQ. W. MEISSNER, BLN-W ST. ANNASTR. 11 INVEN d BERUN 030/886 8037 BERLIN SI 122 82-IK TEL: OK/22 IB 44 030/88823 83 3895718000

jede Steuerfläche (11) die Form eines teilrunden Bogens besitzt, der seine Mitte am jeweiligen Armdrehpunktachse (15) hat.
4-, Gerät nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß jede Steuerfläche (11) gleichmäßig an gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Armes (14·) verlaufen und ihre Bogenlänge so ist, daß eingezogen die entgegengesetzten Enden sowohl genau in den Begrenzungen des Gehäuses liegen, so daß eine Bewegung des Armes der einen oder der anderen Richtung die eine oder die andere Steuerfläche aus dem Gehäuse heraustreten läßt.
5. Gerät nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß es drei Steuerflächen gibt.
6. Gerät nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die ganze Winkelbewegung jeder Steuerfläche bei etwa 75° in jeder Richtung von der eingezogenen Stellung liegt.
7. Gerät nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Steuerfläche (11) mit einem Gegenausgleichsgewicht versehen ist, das um den Drehpunkt im Gehäuse (16) schwingt, wenn die Steuerfläche schwingt und ganz im Gehäuse eingeschlossen bleibt.
8. Gerät nach Anspruch 7$ dadurch gekennzeichnet, daß der Drehpunkt jeder Steuerfläche (11) eine Welle ist, an der das Aujgleichsgegengewicht angebracht ist, und daß die beiden Wellen über ein Getriebe verbunden und von einem gemeinsamen Servomotor angetrieben werden.

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9. Geführtes Geschoß mit einem Hilfssteuerflächengerät nach den vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch Kopfsteuerung.
10. Geschoß nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfssteuerflächengerät sich zwischen dem Hauptkörper des Geschosses und der Geschoßnase befindet, und daß das Geschoß noch weitere Steuerflächen (I7) und eine Schubvektorensteuerung an ihren hinteren Snde zur Verwendung während des angetriebenen Fluges besitzt.

Dipl.-Ing. Pi E. Meissner

Patentanwalt

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