DE2728388C2 - Leitwerk für ein mit Überschallgeschwindigkeit vorantreibbares Projektil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Leitwerk für ein mit Überschallgeschwindigkeit vorantreibbares Projektil mit mindestens zwei Paaren Leitwerkschaufeln, die um eine zur Projektillängsachse im wesentlichen parallele Achse schwenkbar angeordnet sind, eine dem Außenumfang des Projektils entsprechende Krümmung aufweisen, so daß sie im eingeklappten Zustand sich an dessen Umfang anlegen können, und eine Länge besitzen, die zwischen einem Viertel und der Hälfte des Außenumfangs des Projektils beträgt. Als Projektile kommen bsp. Raketen in Betracht.

Raketen werden im allgemeinen mittels gerader oder gekrümmter Leitwerkschaufeln stabilisiert, die am Umfang eines zylindrischen Körpers befestigt sind, welcher der Körper des Projektils selbst oder eine darauf montierte Hülse sein kann. Leitwerke mit geraden Schaufeln stabilisieren zwar einwandfrei, doch können sie in der zusammengeklappten Stellung des Leitwerks nicht die äußere Form des Projektils annehmen, so daß ihre Spannweite begrenzt ist (s. CH-PS 5 05 361 oder US-PS 28 58 765). Dieser Nachteil wird nun durch gekrümmte Leitwerkschaufeln vermieden, die nach dem Stand der Technik alle eine gleichsinnige Konkavität besitzen und in einem

Bogenabstand von—-(N = Zahl der Leitwerkschaufeln) aufeinander folgen (s. US-PS 2/ 93 591).

Diese Ausgestaltung der bekannten Leitwerke mit gekrümmten Schaufeln führt jedoch zu Asymmetrien der das Projektil umgebenden aerodynamischen Strömungen, die eine zur Einfallsebene des Projektils rechtwinklige Seitenkraft erzeugen, welche niemals Null ist. Diese Seitenkraft erweist sich jedoch — überhaupt bei Überschallgeschwindigkeiten — als der Stabilität des Projektils abträglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Leitwerk mit gekrümmten Schaufeln derartige schädliche Auswirkungen auf die Umströmungsverhältnisse des Projektils zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Leitwerkschaufeln so angeordnet sind, daß sie im ausgeklappten Zustand paarweise eine gegensinnige Konkavität aufweisen.

Bei dieser Ausgestaltung sind zwei axiale geometrische Symmetrieebenen vorhanden. Entspricht die Einfallsebene des Projektils einer dieser Symmetrieebenen, kompensieren sich die aerodynamischen Kräfte, die auf die oberen Leitwerkschaufeln von beiden Seiten der Einfallsebene einwirken, aufgrund der Symmetrie der Leitwerkschaufeln völlig, so daß keine Störwirkung auftritt.

Dieser Vorteil wird noch verstärkt, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Winkel zwischen der Axialebene des Projektil-Körpers, die durch die Achsen der beiden Leitwerkschaufeln des einen Paars geht, und der Axialebene des Projektil-Körpers, die durch die Achsen der beiden Leitwerkschaufeln des anderen

Paars geht, ungleich -^- ist, wobei N die Zahl der Leitwerkschaufeln ist.

In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Rückansicht eines mit einem bekannten Leitwerk versehenen Projektils im Aufriß,

Fig.2 eine Rückansicht eines mit einem erfindungsgemäßen Leitwerk versehenen Projektils, dessen Schaufeln ausgeklappt sind,

F i g. 3 eine Draufsicht auf das Projektil gemäß F i g. 2 mit eingeklappten Leitwerkschaufeln und

Fig.4 eine Querschnittsansicht nach Linie IV-IV in F i g. 3.

Fig. 1 läßt eine herkömmliche Stabilisierung eines Projektils 101 mittels eines Leitwerks erkennen, das auf einer zylindrischen Hülse 102 montiert ist, welche die Peripherie des Projektils 101 umgibt. Dieses Leitwerk umfaßt vier Schaufeln 107, 108, 109 und 110, die gerade oder (wie in F i g. 1 dargestellt) gekrümmt sein können. Die Leitwerkschaufeln 107, 108, 109 und 110 sind um Achsen 111, 112, 113 und 114 schwenkbar, die endseitig auf mit der Hülse 102 einstückigen Ansätzen 103, 104, 105 und 106 befestigt sind. Die Leitwerkschaufeln 107—110 sind in ihrer ausgeklappten Stellung ausgezogen und in ihrer eingeklappten Stellung 107a—HOa strichliert dargestellt. Die Leitwerkschaufeln 107—110 haben, bezogen auf die Achse des Projektils 101, alle eine gleichsinnige Konkavität und nehmen in der eingeklappten Stellung genau die Form des Körpers des Projektils 101 an. Die Leitwerkschaufeln 107—110 weisen also keine Symmetrieebene auf, die durch die Achsedes Projektils 101 hindurchgeht. Die Schwenkachsen 111 — 114 der Leitwerkschaufeln 107—110 sind in bezug auf die Hülse 102 je zwei und zwei diametral gegenüberliegend angeordnet. Zwei diametral gegenüberliegende Leitwerkschaufeln (107, 108 bzw. 109,110) sind in bezug auf die Achse des Projektils 101 symmetrisch. Die vier Leitwerkschaufeln 107—110 sind über den Umfang des Projektils 101 regelmäßig verteilt; zwei benachbarte Schwenkachsen bilden mit der Achse des Projektils 101 einen Winkel von 90".

Bei dieser Ausführungsform ist die Länge der Leitwerkschaufeln 107—110 auf etwa ein Viertel des Außenumfangs der Hülse 102 begrenzt. Andererseits hat die auf die Leitwerkschaufeln ausgeübte Seitenkraft, wenn das Projektil 101 sich im Flug um sich selbst dreht, aufgrund der Asymmetrie der Leitwerkschaufeln immer dasselbe Vorzeichen. Das stört die Stabilität der Bewegung des Projektils 101.

Fig.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leitwerks mit Schaufeln in ausgeklappter Stellung. Um das Projektil 1 ist auf bekannte Weise eine zylindrische Hülse 2 angeordnet. Zwei Leitwerkschaufelpaare 3, 4 und 5, 6 sind mit der Hülse 2 fest verbunden. Die beiden Leitwerkschaufeln eines Paars sind mit einem ihrer Ränder in zwei diametral gegenüberliegenden Zonen an der Hülse 2 angebracht Die Leitwerkschaufeln 3, 4, 5 und 6 können um Achsen 7,8,9 und 10 schwenken, die in Längsrichtung der Hülse 2 parallel angeordnet und in Blockpaaren 11,12,13 und 14 montiert sind, die an der Hülse 2 befestigt sind und gegenüber dieser vorspringen. Jede Leitwerkschaufel 3, 4,5 und 6 ist mittels mindestens zwei Scharnieren 15,16, 17 und 18 (s. Fig. 2 und 3) um seine Achse beweglich gelagert. Eine in jedem Scharnier 15, 16, 17 und 18 angebrachte Nut 19, 20, 21 und 22 erlaubt eine Verriegelung jeder Leitwerkschaufel in der ausgeklappten Stellung mit Hilfe eines entfernbaren Nockens 23, 24, 25 und 26, der in einem mit den Blockpaaren 11, 12, 13 und 14 einstückigen Rohr 69, 70, 71 und 72 (s. F i g. 4) montiert und unter der Wirkung von nicht dargestellten Federn sowie von Schrauben 27, 28, 29 und 30 in Stellung gehalten ist.

Ein Federpaar 31,32,33 und 34 ist um jede Achse 7,8, 9 und 10 herum angeordnet (s. F i g. 3) und bezweckt eine öffnung der Leitwerkschaufeln 3, 4, 5 und 6. Jedes Federpaar 31,32,33 und 34 weist ein erstes Ende 47,48, 49 und 50, das in ein in einem der Blockpaare 11,12, 13 und 14 angebrachtes Loch 43,44,45 und 46 eingebunden ist, sowie ein zweites Ende 51, 52,53 und 54 auf, das .nit der entsprechenden Leitwerkschaufel 3, 4, 5 und 6 fesi verbunden ist.

Ein System von Unterlegscheiben 35, 36, 37 und 38 sowie von Stiften 39, 40, 41 und 42 gewährleistet die Aufrechterhaltung der Längsposition der Achsen 7,8,9 und 10. Die Blockpaare 11,12,13 und 14 der Hülse 2 sind untereinander mittels zur Hülse 2 parallelen Bändern 57, 58,59 und 60 verbunden.

Der Winkel α zwischen der durch die beiden Achsen 7 und 8 des ersten Leitwerkschaufelpaars 3 und 4 hindurchgehenden Axialebene und der durch die beiden Achsen 9 und 10 des zweiten Leitwerkschaufelpaars 5 und 6 hindurchgehenden Axialebene ist vorzugsweise von 90° verschieden. Die Leitwerkschaufeln 3,4,5 und 6 sind also nicht regelmäßig über den Umfang der Hülse 2 verteilt, obschon sie in bezug auf die beiden Axialebenen X-A'und V-Vdes Projektils 1 symmetrisch bleiben.

In den F i g. 3 und 4 sind die Leitwerkschaufeln 3, 4, 5 und 6 in der eingeklappten Stellung gezeigt. Beim Einklappen der Leitwerkschaufeln 3, 4, 5 und 6 wird die Entriegelung durch das Zurückziehen der Nocken 23, 24, 25 und 26 bewirkt, die mit den Nuten 19, 20, 21 und 22 der Scharniere 15, 16, 17 und 18 der Leitwerkschaufeln 3, 4, 5 und 6 in Eingriff stehen. Letztere werden in eine zum Körper des Projektils 1 parallele Stellung zurückgeführt und in dieser gehalten.

Zwei benachbarte Leitwerkschaufeln 3, Γ. und 4,6, die zu zwei verschiedenen Leitwerkschaufelpaaren 3, 4 und 5, 6 gehören, werden übereinander eingeklappt (s. F i g. 4). Wenn man dem Winkel λ einen Wert unterhalb 90° gibt, können die Leitwerkschaufeln 3, 4, 5 und 6 ein Querprofil aufweisen, das einen Krümmungsbogen von einer Länge besitzt, die merklich über einem Viertel des Umfangsder Hülse 2 liegt.

Der dünne Bereich jeder l.eitwerkschaufel 3, 4, 5 und b weist vorzugsweise einen ersten geraden Abschnitt 61. f)2. 63 und 64. eier ,in den Abschnitt 15, 16, 17 und 18 angrenzt, welcher das Scharnier bildet und sich in bezug auf das Projektil 1 genau radial erstreckt, wenn die Leitwerkschaufel sich in der ausgeklappten Stellung befindet, sowie ferner einen zweiten gekrümmten Abschnitt 65,66,67 und 68 auf, der den Abschnitt 61,62, 63 und 64 verlängert und in bezug auf die den Abschnitt 61, 62,63 und 64 enthaltende Ebene auf derselben Seite liegt. Die Konkavität der Abschnitte 67 und 68 in bezug auf die Achse des Projektils 1 ist umgekehrt zu der Konkavität der Abschnitte 65 und 66.

Die Leitwerkschaufeln 3 und 4 des einen der beiden Leitwerkschaufelpaare weisen, in Richtung der Längsachse des Projektils 1 und in dem der Vorschubrichtung des Leitwerks im Flug entgegengesetzten Sinn gesehen, eine Angriffsfläche auf, die größer als diejenige der Leitwerkschaufeln 5, 6 des anderen Paars ist. Die Flächenvergrößerung wird durch die Umbiegung eines Abschnitts 55,56 des hinteren gekrümmten Bereichs 65, 66 der Leitwerkschaufel 3,4 gegen das Kriimmungszentrum der Leitwerkschaufel realisiert (s. F i g. 2 und 3). Diese zusätzliche Angriffsfläche 55, 56, die dazu dient, eine Rotationsgeschwindigkeit als Funktion der Geschwindigkeit des Projektils 1 hervorzubringen, könnte natürlich auch mit Hilfe eines auf die Leitwerkschaufel 3,4 aufgesetzten Teils verwirklicht werden.

In der Längsrichtung verlängern sich die Leitwerkschaufeln 3, 4, 5 und 6 auf bekannte Weise nach hinten über die Rückseite des Projektils 1 hinaus.

In der eingeklappten Stellung verursacht ein erfindungsgemäßes Leitwerk keine größere Behinderung als ein herkömmliches Leitwerk, da die Stärke der Leitwerkschaufeln unbedeutend ist und beide Leitwerkschaufeln sich übereinander einklappen lassen. Insbesondere beträgt der Schwenkwinkel jeder Leitwerkschaufel um ihre Achse vorteilhafterweise über 90°. Andererseits kann der Winkel jt-λ des Flächenwinkels, welcher von den beiden Halbflächen gebildet wird, die durch die Achse des Projektils 1 und durch die Achse von jedem der benachbarten, zu zwei verschiedenen Paaren gehörenden und zum Übereinander-Einklappen vorgesehenen Leitwerkschaufeln hindurchgehen, größer als 90° sein derart, daß jede Leitwerkschaufel in ausgeklappter Stellung eine sehr deutlich über der Länge eines Viertels des Außenumfangs der Hülse 2 liegende Querabmessung aufweisen kann, obschon sie in eingeklappter Stellung in geringem Abstand vom Außenumfang der Hülse 2 bleibt.

Selbstverständlich ist die Ausgestaltung der Anlenkung der Leitwerkschaufeln 3, 4, 5 und 6 an der Hülse 2 nur beispielhaft beschrieben worden; es könnten natürlich auch andere Mittel zur Verriegelung und/oder elastischen Rückholung verwendet werden. Auch der Abstand der Leitwerkschaufeln 3,6 und 4,5 in bezug auf die axialen Symmetrieebenen X-X und Y- Y kann mehr oder minder wichtig sein. Es ist auch möglich, den Leitwerkschaufeln unterschiedliche Krümmungsformen zu geben. Die Vereinigung eines geradlinigen Abschnitts 61,62,63 und 64 mit einem Kreisbogenabschnitt 65, 66, 67 und 68 ist ebenfalls nur als Beispiel gedacht. Jede Leitwerkschaufel könnte z. B. eine gleichmäßige Krümmung aufweisen, wenn nur für zwei benachbarte Leitwerkschaufeln die Konkavität der Krümmung in einer unterschiedlichen Richtung um die Achse des Projektils 1 orientiert ist und diese beiden benachbarten Leitwerkschaufeln in bezug auf eine Axialebene des Projektils 1 symmetrisch sind. Die gekrümmten und in bezug auf zwei Axialebenen des Projektils 1 symmetrischen Leiiwerkschaiifeln erlauben es also, das Vor/.ei-

chen der Seitenkraft pro Umdrehung viermal zu wechseln und eine resultierende Seilenkraft Null zu erhalten. Auf diese Weise wird verhindert, daß selbst bei hoher Geschwindigkeit eine unerwünschte Präzessionsbewegung infolge einer Kopplung Stampfschwingung-Schlingern auftritt.

Die Zahl der Leitwerkschaufelpaare kann ebenfalls größer als zwei sein. Zum Beispiel wurden bei vier Leilwerkschaufelpaaren zwei Paare ihre Konkavität in eine Richtung gedreht haben, während die beiden u> anderen, mit den beiden ersten Paaren regelmäßig abgewechselten Paare ihre Konkavität in die andere Richtung gedreht haben wurden, wobei jede Gruppe von zwei Leitwerkschaufelpaaren zwei axiale Symme- ■ trieebenen aufweist.

Das erfindungsgemäße Leitwerk kann dem Projektil 1 eine um so größere Stabilität verleihen, als die Größe und die wirksame Fläche der Leitwerkschaufeln bedeutend sind. Wie /.. B. aus F i g. 2 in der ausgeklappten Stellung erkennbar ist, kann jede Leitwerkschaufel im Profil eine Bogensehne aufweisen, deren Länge deutlich über dem Radius des Projektils liegt und sogar etwa dessen Durchmesser entsprechen kann; die Größe eines ausgeklappten Leitwerks gemäß dem in F i g. 2 dargestellten kann ohne Schwierigkeit z. B. dem Dreifachen des Durchmessers des Projektils benachbart sein, d. h. genau des Durchmessers der Leitwerkskonstruktion in der eingeklappten Stellung im Ruhezustand.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 Patentansprüche:

1. Leitwerk für ein mit Überschallgeschwindigkeit vorantreibbares Projektil mit mindestens zwei Paaren Leitwerkschaufeln, die um eine zur Projektülängsachse im wesentlichen parallele Achse schwenkbar angeordnet sind, eine dem Außenumfang des Projektils entsprechende Krümmung aufweisen, so daß sie im eingeklappten Zustand sich an dessen Umfang anlegen können, und eine Länge besitzen, die zwischen einem Viertel und der Hälfte des Außenumfangs des Projektils beträgt, d a durch gekennzeichnet, daß die Leitwerkschaufeln (3, 4, 5, 6) so angeordnet sind, daß sie im ausgeklappten Zustand paarweise eine gegensinnige Konkavität aufweisen.

2. Leitwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Axialebene des Projektil-Körpers (2), die durch die Achsen (z. B. 7, 8) der beiden Leitwerkschaufeln (3, 4) des einen Paars geht, und der Axialebene des Projektil-Körpers (2), die durch die Achsen (9, 10) der beiden Leitwerkschaufeln (5, 6) des anderen Paars geht, ungleich —%- ist, wobei N die Zahl der Leitwerk-

/v

schaufeln ist.