-
Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere den Bereich der Vorrichtungen
zur Lenkung bzw. Steuerung angetriebener oder nicht-angetriebener
Projektile oder Flugkörper,
und betrifft ein Verfahren sowie eine dazu gehörende Vorrichtung zur Steuerung
eines Hochgeschwindigkeitsprojektils, z. B. eines Geschosses, einer
Kugel oder einer Rakete.
-
Die
Steuerung eines in der Atmosphäre
fliegenden Körpers
kann insbesondere durch das Ausfalten von tragenden Flächen oder
z. B. durch die Auslösung
einer pyrotechnischen Vorrichtung bewirkt werden.
-
Der
Hauptnachteil der tragenden Flächen liegt
in ihrer Ausfaltung begründet,
da diese große Kräfte erfordert,
die mit der Geschwindigkeit des Flugkörpers ansteigen, sowie in dem
Widerstand der Vorrichtung bei den sehr hohen Drücken, die bei Überschallgeschwindigkeiten
auftreten. Darüber
hinaus erfordert diese Steuerungsart eine lange Reaktionszeit, die
sehr nachteilig sein kann, wenn der Flugkörper durch Rotation stabilisiert
wird.
-
Der
Hauptnachteil der Steuerung eines Flugkörpers durch die Auslösung einer
pyrotechnischen Vorrichtung ist, dass diese nur einmal erfolgen
kann.
-
Im
Dokument
US 31511259
A wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ablenkung
und Steuerung eines Hochgeschwindigkeitsprojektils gemäß der Einleitung
der Ansprüche
1, 3 u. 4 beschrieben.
-
Ziel
der Erfindung ist die Behebung dieser Nachteile, indem ein Verfahren
zur Steuerung eines Hochgeschwindigkeitsprojektils, d. h. eines
Projektils mit einer Geschwindigkeit größer als die Schallgeschwindigkeit,
vorgeschlagen wird, das keinerlei bewegliche Teile enthält, und
das so oft wie nötig
angewendet werden kann.
-
Die
angebotene Lösung
ist ein Verfahren zur Steuerung eines Hochgeschwindigkeitsprojektils,
z. B. eines Geschosses, einer Kugel oder einer Rakete, mit einer
Spitze, die im Allgemeinen die Form eines Kegels mit mehr oder weniger
spitzem Ende aufweist, und dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Plasmaentladung
in der Nähe
besagten Endes und über
einen begrenzten Abschnitt der Außenfläche der Spitze erzeugt wird.
-
Nach
einem besonderen Kennzeichen betrifft die Erfindung ein Verfahren
zur Ablenkung eines Hochgeschwindigkeitsprojektils in eine Richtung
Y, z. B., eines Geschosses, einer Kugel oder einer Rakete, mit einer
Spitze, die im Allgemeinen die Form eines Kegels mit mehr oder weniger
spitzem Ende aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht,
dass eine Plasmaentladung in der Nähe besagten Endes und über einen
begrenzten Abschnitt der Außenfläche der
Spitze und auf der Seite der Richtung Y erzeugt wird.
-
Die
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Steuerung eines Hochgeschwindigkeitsprojektils, z.
B, eines Geschosses, einer Kugel oder einer Rakete, mit einer Spitze,
die im Allgemeinen die Form eines Kegels mit mehr oder weniger spitzem
Ende aufweist, und dadurch gekennzeichnet ist, dass es über Mittel
verfügt,
die geeignet sind, eine Plasmaentladung in der Nähe besagten Endes und über einen
begrenzten Abschnitt der Außenfläche der
Spitze zu erzeugen.
-
Nach
einem besonderen Kennzeichen enthalten die Mittel, die geeignet
sind, eine Plasmaentladung zu erzeugen, eine getriggerte Funkenstrecke, zwei
Elektroden und einen Hochspannungsgenerator.
-
Gemäß einer
anderen Besonderheit enthalten die besagten Mittel mindestens ein
Paar Elektroden. In der Tat enthalten die besagten Mittel mindestens
ein Paar Elektroden, wenn das Projektil rotiert, bzw mehrere Paar
Elektroden, wenn es nicht rotiert.
-
Weitere
Vorteile und Besonderheiten sind in der Beschreibung besonderer
Arten der Realisierung der Erfindung und aus den beigefügten Figuren
ersichtlich:
-
1 zeigt
eine schematische Zeichnung der von einem Überschallprojektil erzeugten
Stoßwellen.
-
2 zeigt
das Ergebnis einer numerischen Simulation des selben Flugkörpers, der
sich unter den gleichen Bedingungen des Überschallflugs wie vorher bewegt,
und auf den eine Plasmaentladung angewandt wird.
-
3 zeigt
die Unsymmetrie der Dichteverteilung der umgebenden Luft auf der
Hälfte
der Projektiloberfläche
und in der Symmetrieebene der Strömung für das gewählte Beispiel.
-
4 zeigt
ein Schema einer Vorrichtung nach einer Realisierungsart der Erfindung.
-
5 zeigt
ein Beispiel für
die Implantierung von vier Elektrodenpaaren, die π/2 Radiant
voneinander entfernt angeordnet sind.
-
Bei
einem Hochgeschwindigkeits-Flugkörper bildet
sich eine Stoßwelle
stromaufwärts
von seiner Spitze. Wenn der Flugkörper auf einer geradlinigen Flugbahn
fliegt, sind die auf seiner Oberfläche verteilten Drücke ausgewogen
und die Stoßwelle
weist Symmetrien gemäß der Form
des Flugkörpers
auf. Bei einem Projektil, das eine kegelförmige Spitze hat, liegt die
Welle an der Kegelspitze an und hat ebenfalls die Form eines Kegels.
-
1 zeigt
das Ergebnis einer numerischen Simulation eines Flugkörpers bei Überschallgeschwindigkeit
in Richtung des Pfeils. Sie zeigt vollständig einen Flugkörper 1 und
die Hälfte
von zwei anderen Flächen 2 und 3.
Der Flugkörper
hat einen vorderen kegelförmigen
Teil 4 und einen hinteren zylindrischen Teil 5.
Die beiden Flächen 2 und 3 zeigen einen
konstanten Druck in der Strömung
an. Die an der Spitze des Flugkörpers
anliegende Fläche 2 stellt die
Fläche
der konischen Stoßwelle
dar, wogegen die Fläche 3,
die an der Diskontinuität
der Oberfläche des
Flugkörpers
(Übergang
Kegel-Zylinder) anliegt, eine Entspannungswelle charakterisiert.
-
Die
auf ein solches Projektil angewandte Erfindung besteht darin, die
Umströmung
der Flugkörperspitze
ins Ungleichgewicht zu bringen, indem eine Plasmaentladung in Richtung
des Endes des vorderen Teils, möglichst
nahe an der Spitze erzeugt wird, um dem Flugkörper einen Anstellwinkel zu
verleihen. Die über
einen beschränkten
Winkelbereich durchgeführte
Plasmaentladung ändert
die Grenzschicht, welche die Flugkörperoberfläche umgibt. Das Ziel besteht
also darin, eine Entladung zu erzeugen, so dass das Ungleichgewicht
der thermodynamischen Größen ausreichend
groß wird,
um die Ablenkung des Flugkörpers
von seiner geradlinigen Flugbahn zu bewirken.
-
Die
wichtigsten Vorteile dieser Technik sind das Fehlen beweglicher
Teile und die Wiederholbarkeit der Entladungen. Die Steuerung des
Flugkörpers auf
seiner Flugbahn kann nämlich
durch aufeinander folgende Entladungen, die beliebig in Abhängigkeit von
der gewünschten
Flugbahn ausgelöst
werden können,
durchgeführt
werden.
-
2 zeigt
das Ergebnis einer numerischen Simulation des selben Flugkörpers, der
sich unter den gleichen Bedingungen des Überschallflugs wie vorher bewegt,
und auf den eine Plasmaentladung nahe an der Spitze angewandt wird.
Jede der beiden Flächen 7, 3,
die dort dargestellt sind, kennzeichnet einen konstanten Druck in
der Strömung.
-
Man
stellt fest, dass an der Spitze des Flugkörpers 1 die Stoßwelle 7 unter
der Einwirkung der Plasmaentladung 6 abgelenkt wird.
-
3 zeigt
die Unsymmetrie der Dichteverteilung der umgebenden Luft auf der
Hälfte
der Projektiloberfläche
und in der Symmetrieebene der Strömung für das gewählte Beispiel. Diese Dichte
ist ungefähr
konstant und gleich 1 kg/m3 zwischen den Punkten
A und B, die der Plasmaentladung 6 gegenüber oder
stromabwärts,
im Verhältnis
zur Richtung Z des Projektils, liegen (Zone C), wogegen sie an der Außenhaut
E des Projektils stromaufwärts
von der Plasmaentladung 6 sehr gering ist (in der Größenordnung
von 2,7·10–2·kg/m3). Dagegen ist sie am Punkt D auf der Höhe der Plasmaentladung 6 maximal,
in der Größenordnung
von 3 kg/m3.
-
4 zeigt
ein Schema eines Teils einer Vorrichtung nach einer Realisierungsart
der Erfindung. Dieser Teil enthält
eine kegelförmige
Spitze 4 eines Hypergeschwindigkeitsprojektils. Am äußeren Ende der
Spitze ist eine Plasmaentladung 6 dargestellt.
-
Um
das Projektil in eine Richtung Y abzulenken, die zu ihm senkrecht
ist, wird eine Plasmaentladung 6 über einen begrenzten Abschnitt 8 der
Außenfläche der
Spitze und auf der Seite der Richtung Y erzeugt.
-
5 zeigt
ein Beispiel für
die Implantierung von vier Elektrodenpaaren. die π/2 Radiant
voneinander entfernt in Nähe
des Endes der Projektilnase angeordnet sind. Diese Elektroden sind
mit einem Schaltkreis verbunden, der in der Lage ist, eine Energie
zwischen den diese Paare bildenden Elektroden zu erzeugen, die ausreicht,
um das Plasma zu zünden.
Dieser Schaltkreis enthält
eine Steuer-Vorrichtung 12,
und einen Spannungsvervielfacher und -verteiler 11 mit
Auslöser.
-
Somit
steuert die Steuervorrichtung 12 über den Spannungsvervielfacher
und -verteiler mit Auslöser 11 einerseits
die Erzeugung der geeigneten Spannungsdifferenz und andererseits
die Bereitstellung der an dem oder den Paaren, die in der gewünschten
Ablenkungsrichtung liegen, erzeugten Spannung.
-
Der
Luftwiderstand des Flugkörpers,
die Steuerkraft und das Steuermoment können durch Berechnung ermittelt
werden. Selbst Im Falle kleiner Kräfte ist diese Vorrichtung interessant,
da dadurch dass sie nahe an der Spitze des Flugkörpers wirkt, schon eine kleine
Unsymmetrie der Strömung
das Projektil destabilisiert und seine Steuerung ermöglicht.
Die Benutzung der gleichen Vorrichtung oder einer anderen Vorrichtung
nach der Erfindung, die an einem anderen Punkt des Projektils angebracht
ist, kann dazu dienen, das Projektil wieder auf seiner Flugbahn
zu stabilisieren.
-
Im Übrigen kann
diese Vorrichtung mit Mitteln verbunden werden, mit denen sie gesteuert
werden kann, wie z. B. einem GPS-System, ein System mit einem Suchkopf,
ein System mit Fernsteuerung, oder irgend ein anderes System, das
es erlaubt, die Rollwinkellage des Flugkörpers zu bestimmen.
-
Zum
Beispiel: Bei einem Projektil im Kaliber 20 mm, das in Bodennähe unter
normalen Bedingungen mit einer Machzahl von 3,2 fliegt, und dessen vorderer
Teil aus einem Kegel mit 20 Grad Scheitelwinkel sowie einem zylindrischen
Teil ohne tragende Flächen
besteht, wird eine Plasmaentladung, deren Temperatur circa 15.0000
K beträgt, über eine
Oberfläche
von 9 mm2 in der Nähe der Projektilspitze ausgelöst; dies
erfordert einen Impuls entsprechend dem Massendurchsatz einer explosionsfähigen Substanz von
15·10–4 kg/s,
was einer Leistung von circa 2 kVA entspricht. Die Entladungsdauer
zwischen 2 und 4 ms entspricht einer elektrischen Energie in der
Größenordnung
von Zehn Joule.
-
Die
Intensität
der Entladung kann moduliert werden, indem die thermodynamischen
Parameter wie z. B. die Temperatur in der Entladung und der entsprechende
Impuls verändert
werden.
-
Das
Plasma wird durch Hochspannungs-Entladungen) erzeugt. Diese Entladungen) wird
(werden) bewirkt durch einen Auslöser und Spannungsvervielfacher,
der ausgehend von einem elektrischen oder optischen Signal mit niedrigem
Pegel eine für
die Zündung
des Plasmas ausreichende Energie liefert. Das Konzept erlaubt die
Optimierung der gespeicherten elektrischen Energie vor der Auslösung und
liefert den für
die Bedingungen der Plasmaentladung geeigneten Spannungsimpuls.
-
Die
Auswirkung auf die aerodynamischen Effekte ist interessant. Die
aerodynamischen Effekte werden zunächst durch numerische Simulation
bewertet, für
den Fall des nicht gesteuerten Projektils, das eine geradlinige
Flugbahn ohne Anstellwinkel hat. Die aerodynamischen Beiwerte werden
allein für den
vorderen Teil des Projektils berechnet, der Nachlauf wird also nicht
berücksichtigt.
-
Der
Widerstandsbeiwert beträgt
Cx = 0,1157. Der Auftriebsbeiwert Cz und der Momentbeiwert Cm, die
an der Spitze des Projektils berechnet werden, sind natürlich gleich
Null.
-
Die
aerodynamischen Beiwerte werden nun für das Projektil bestimmt, das
sich auf der geradlinigen Flugbahn ohne Anstellwinkel bewegt, und
durch eine Plasmaentladung gesteuert wird, die unter den o. g. Bedingungen
modelliert wird. Der Widerstandsbeiwert beträgt Gx = 0,0949. Der Auftriebsbeiwert
beträgt
Gz = 0,0268, dies entspricht einer Kraft von 6 N in der Wirkrichtung
der Entladung. Der an der Spitze des Projektils berechnete Momentbeiwert
ist Cm = –0,0356,
dies entspricht einem Moment von 0,1609 mN, das so orientiert ist,
dass es die Wirkungen der Auftriebskraft begleitet.
-
Die
Analyse der Ergebnisse dieser Simulation zeigt:
- – eine Widerstandsverminderung
des Projektils bei der Plasmaentladung von circa 18%, was sehr bedeutend
ist;
- – dass
die Steuerungskraft in Richtung der Entladung wirkt;
- – dass
das Nickmoment vorteilhaft zur Steuerkraft beiträgt, um das Projektil manövrierfähig zu machen.
-
Selbstverständlich können zahlreiche Änderungen
vorgenommen werden, ohne den Umfang der Erfindung, wie in den Ansprüchen 1 bis
6 beschrieben, zu verlassen. So kann die Form der Spitze beliebig
sein, und muss nicht unbedingt rotationssymmetrisch sein.