Leitwerk mit reduzierter Bodenwindempfindlichkeit

Abstract

 Feststehendes oder aufklappbares Leitwerk für gelenkte oder ungelenkte Überschallflugkörper. Zur Reduzierung der Bodenwindempfindlichkeit sind die Flossen des Leⁱtwerks derart ausgebildet, daß ein verstärkter Druckausgleich zwischen ihrer Ober- und Unterseite möglich ist. Dazu können die Flossen mit Durchbrechungen, Ausnehmungen versehen, im Abstand vom Flugkörperrumpf als Einzelflügel angeordnet und/oder mit kleiner Streckung ausgebildet werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung befaßt sich mit einem Leitwerk der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

[0002] Leitwerke bewirken die Längsstabilität ungelenkter Flugkörper. Bei gelenkten Flugkörpern wird in der Regel nur eine geringe Längsstabilität angestrebt, um die Längssteuerung zu erleichtern. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, einen instabilen Lenkflugkörper durch einen in die Steuerung eingebauten Regler künstlich zu stabilisieren

[0003] Die Stabilisierungswirkung eines Leitwerks kommt dadurch zustande, daß das Leitwerk bei Drehung des Flugkörpers aus der Flugrichtung heraus ein rückdrehendes Moment erzeugt, das so lange wirkt, bis der Flugkörper wieder in die Flugrichtung zurückgedreht ist. Dieses rückdrehende, die Störung beseitigende Moment um den Flugkörperschwerpunkt kommt dadurch zustande, daß das Leitwerk hinter dem Schwerpunkt des Flugkorpers angebracht ist und infolge der Auslenkung aus der Flugrichtung als Tragflügel wirkt. Ist der Auftrieb, d.h. die Stabilität groß, so wird die Störung schnell beseitigt, ist er klein, so erfolgt der Ausgleich der Störung nur langsam. Bei unzureichendem Leitwerksauftrieb vergrößert sich die Abweichung von der Flugrichtung, bis der Flugkörper nach einer gewissen Zeit "ausbricht" und die Flugkörperlängsachse um 90° gedreht zur Flugrichtung steht.

[0004] Bei hoher Längsstabilität wird eine momentane Abweichung von der Flugrichtung zwar schnell beseitigt, nachteiligerweise jedoch auch bei Bodenwind, d.h. hier bei Windkomponenten, die nicht in Flugrichtung wirken. Dies soll am Beispiel eines, in Flugrichtung gesehen, von links wirkenden Seitenwindes verdeutlicht werden. Dieser Wind bewirkt,. daß der Flugkörper nicht mehr axial, sondern unter einem (in der Regel kleinen) Winkel von links mit der resultierenden Geschwindigkeit angeströmt wird. Aufgrund der oben geschilderten Wirkungsweise des Leitwerks wird der Flugkörper nun so lange in den Wind gedreht, bis die Seitenwindkomponente null geworden ist. Dies bedeutet aber eine Abweichung von der Abschußrichtung. Durch nur schwache Stabilisierung wird deshalb die Seitenwindempfindlichkeit reduziert.

[0005] Aus aerodynamischen Gründen nimmt die Wirksamkeit von Flügeln bei Unterschallströmung mit steigender Fluggeschwindigkeit zu, im Überschall jedoch ab. Bei ungelenkten Überschallflugkörpern muß deshalb das Leitwerk mindestens so groß sein, daß es auch zur Stabilisierung bei der Maximalgeschwindigkeit noch ausreicht, was bei den bekannten Leitwerken dann aber eine hohe Bodenwindempfindlichkeit zur Folge hat.

[0006] Es ist bekannt, die Bodenwindempfindlichkeit zu reduzieren durch eine hohe Startbeschleunigung, weil dadurch die Überstabilisierungsphase kurz ist, oder durch Leitwerke, die nach dem Start so lange ganz oder teilweise geschlossen bleiben, bis der Flugkörper aufgrund der Instabilität auszubrechen beginnt. Auch Kombinationen beider Methoden sind bekannt.

[0007] Nachteilig sind hierbei im ersten Fall strukturelle und/ oder raketentechnische Probleme sowie eine reduzierte Flugweite, weil die höchste Fluggeschwindigkeit in Bodennähe, d.h. bei entsprechend hohem Luftwiderstand, erreicht wird, und im zweiten Fall der notwendige Einbau einer Aufklappverzögerung, die nur auf einen Seitenwind bestimmter Intensität und Dauer optimiert werden kann.

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leitwerk so zu gestalten, daß es bei der höchsten Fluggeschwindigkeit im Vergleich zur Startgeschwindigkeit besonders wirkungsvoll ist, um ein festes oder ein unmittelbar nach dem Start aufklappendes Leitwerk verwenden zu können.

[0009] Diese Aufgabe wird entsprechend dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Zur Verstärkung des Druckausgleichs können die Flossen.des Leitwerkes mit Durchbrechungen oder Ausnehmungen in ihrem außerhalb der Kontur des Flugkörpers liegenden, voll angeströmten Bereich versehen werden. Beispielsweise können diese als Perforationen ausgebildet sein, die im Bereich des dem Flugkörperrumpf zugewandten Endes der Flossen angeordnet sind. Dieser Durckausgleich hat zur Folge, daß der Auftrieb und damit die stabilisierende Wirkung des Leitwerkes vermindert werden. Da der Druckausgleich aus aerodynamischen Gründen bei geringer Fluggeschwindigkeit nach dem Start stärker als bei Überschallgeschwindigkeit ist, hat die erfindungsgemäße Maßnahme zur Folge, daß ein solches Leitwerk bei hohen Fluggeschwindigkeiten zwar auch noch schlechter wirkt als ein konventionelles, bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten aber in angestrebter Weise besonders schlecht wirkt. Dies bedeutet aber, daß es weniger seitenwindempfindlich ist.

[0010] Eine weitere besonders vorteilhafte Maßnahme zur Erzielung des Druckausgleiches zwischen Flossenober- und -unterseite ist im Anspruch 2 angegeben. Unter dem Begriff "Streckung" ist dabei das Verhältnis aus dem Quadrat der Spannweite de Flossen zu deren Grundrißfläche zu verstehen. Die sich an den freien Flossenenden ausgleichende Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite führt zu einer Verminderung des Auftriebs, und zwar um so stärker, desto kleiner die Streckung ist. Auch dieser Einfluß hängt wiederum von der Fluggeschwindigkeit ab, und zwar in der Weise, daß bei der bestimmungsgemäßen maximalen Überschallgeschwindigkeit die mit der Verkleinerung der Streckung verbundene Auftriebsreduzierung relativ klein ist, während sie bei den geringen Fluggeschwindigkeiten nach dem Start vergleichsweise groß ist. Um bei der Endgeschwindigkeit dennoch die gleich stabilisierende Wirkung zu erreichen, muß daher die Fläche des erfindungsgemäßen Leitwerkes gegenüber einem konventionellen entsprechend vergrößert werden. Wegen der sehr viel stärkeren Auftriebsreduzierung bei geringen Fluggeschwindigkeiten ist aber auch dann noch immer eine erhebliche Verminderung der Windempfindlichkeit gegeben. Als besonders vorteilhaft erweisen sich Leitwerke mit einer Streckung kleiner als 1, während konventionelle Leitwerke im allgemeinen eine Streckung von etwa 2,5 bis 3 haben.

[0011] Die Reduzierung des Windeinflusses durch Verwendung von Leitwerken kleiner Streckung kann bei konventioneller Bauweise Schwierigkeiten bereiten, da dies zu Leitwerken i-ü_hrt, deren Tiefe oder axiale Erstreckung im Vergleich zu ihrer Spannweite groß ist. Dies erfordert ein entsprechend langes Heck des Flugkörpers oder ergibt Leitwerke, deren Spannweite innerhalb des Kalibers verschwinden würde und somit nicht mehr verwirklichbar ist.

[0012] Erfindungsgemäß kann in diesen, aber auch anderen Fällen die Ausbildung des Leitwerks nach Anspruch 3 vorgesehen werden. Danach wird das Leitwerk in Einzelflügel aufgelöst, die ohne weiteres je für sich als Flügel kleiner Streckung ausgebildet werden können. Die Einzelflügel sind dabei nicht wie üblich am Rumpf befestigt, sondern in einem solchen seitlichen Abstand von diesem, daß auch ihre dem Rumpf zugekehrten inneren Enden voll der Luftanströmung ausgesetzt sind. Dadurch kommt es nicht nur zu einem Druck ausgleich über die äußeren Enden, sondern zusätzlich auch über die inneren Enden der Flügel. Der letztere wird allerdings durch die stegförmige Halterung der Flügel und die endliche Breite des Zwischenraumes gegenüber dem theoretischen Wert vermindert, so daß die effektive Strekkung der Einzelflügel größer als ihre geometrische ist, was bei ihrer Auslegung zu berücksichtigen ist.

[0013] Die Reduzierung der Wirksamkeit eines Leitwerkes, und zwar bei Unterschallströmung stärker als bei Überschallströmung kann nach Anspruch 4 auch durch schlitzförmige Ausnehmungen innerhalb der Flossengrundrißfläche erreicht werden. Eine weitere Möglichkeit ist im Anspruch 5 angegeben.

[0014] Die Erfindung ist in der Zeichnung in Ausführungsbeispielen schematisch gezeigt und wird anhand dieser nachstehend erläutert. Es zeigen jeweils in der Ansicht

Fig. 1 ein konventionelles Leitwerk,

Fig. 2 ein Leitwerk kleiner Streckung,

Fig. 3a und b Leitwerke mit Einzelflügeln,

Fig. 4a bis e Leitwerke mit Durchbrechungen,

Fig. 5a und b Leitwerke mit perforierten Einzelflügeln und

Fig. 6 ein Leitwerk mit gekippter Flügelanordnung.

[0015] Fig. 1 zeigt das Heck 1 eines Flugkörpers mit einem konventionellen Leitwerk großer Streckung. Die Flossen 2 weisen einen rechteckigen Grundriß mit der Spannweite b und der Tiefe 1 auf, wobei hier b = 3 1 ist. Daraus ergibt sich für die Streckung als Quadrat der Spannweite, dividiert durch die Grundrißfläche der Faktor 3.

[0016] In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Leitwerk gezeigt, bei den die Streckung im Unterschied dazu klein ist. Unter klein wird hier eine Streckung kleiner als 1,5 verstanden. Bevorzugt ist sie kleiner als 1. Im gezeigten Falle beträgt sie bei b = 1 gerade 1.

[0017] Bei dem in Fig. 3a gezeigten Leitwerk sind die Flossen 2 als Einzelflügel kleiner Streckung ausgebildet, die mit dem Rumpf 1 über jeweils einen Steg 3 verbunden sind. Die Flossen 2 sind in einem solchen Abstand a vom Rumpf 1 und damit außerhalb der Kontur des Flugkörpers im Bereich seines Leitwerks angeordnet, daß sie in ihrer gesamten Erstreckung, d.h. auch mit ihrem inneren Ende 2' voll der Anströmung gemäß dem Pfeil A ausgesetzt sind. Die Strekkung ist hierbei b = 0,5 1 auf den Faktor 0,5 reduziert.

[0018] Das Leitwerk entspricht ansonsten dem herkömmlichen Aufbau, d.h. es besieht aus mindestens drei, vorzugsweise vier aber auch aus mehr als vier Flossen 2, welche im Fluge fest mit dem Rumpf 1 verbunden sind. Flossenhinterkante und Rumpfhinterkante brauchen nicht in einer Ebene zu liegen. Bei Klappleitwerken kann die Halterung 3 in bekannter Weise dreh- und verriegelbar am Rumpf 1 befestig sein. Ein entsprechender Mechanismus kann auch an der Nahtstelle von Halterung 3 und Flosse 2 vorhanden sein. Aus aeroelastischen Gründen ist es von Vorteil, wenn die Halterung 3 so weit vorn an der Flosse 2 befestigt ist, daß diese durch die an sie angreifenden Auftriebs- und Widerstandskräfte unter entsprechender Verformung der Halterungen quasi mehr oder weniger in den Wind gedreht wird, d. h. ihr Anstellwinkel vermindert wird.

[0019] Fig 3b, die ebenso wie die weiteren Figuren der Einfachheithalber nur noch eine Teilansicht der Leitwerke wiedergibt, zeigt eine mit zwei Haltestegen 3 am Rumpf 1 im Abstand a, d.h. unter Belassung des Spaltes oder Zwischenraumes 4 befestigte Flosse 2.

[0020] Bei der in Fig. 4a gezeigten Variante wird der Druckausgleich durch eine sich in axialer Richtung erstreckende Perforation 5 erreicht, die bevorzugt im Bereich des Flossen-Rumpf-Übergangs angeordnet ist, jedoch auch in anderen Bereichen des Flossengrundrisses,wenn auch mit verringerter Wirkung,angeordnet werden kann. Durch diese sich über die ganze Tiefe der Flossen erstreckende Perforation wird in vorteilhafter Weise näherungsweise eine Aufteilung des Gesamtleitwerkes in Einzelflügel kleiner Streckung erreicht. Auf diese Weise können auch vorhandene konventionelle Leitwerke mit relativ geringem Aufwand abgeändert werden.

[0021] Fig. 4b zeigt eine Version, bei der anstelle der Perforation nach Fig. 4a ein hinten offener Längschlitz 6 vorgesehen ist, der statt dessen aber auch vorn offen sein könnte oder gemäß Fig. 4c auch als an beiden Enden geschlossener Schlitz 6' ausgeführt sein kann. Auch hier wird wieder eine näherungsweise Aufteilung in Einzelflügel kleiner Streckung erreicht, die auch auf vorhandene konventionelle Leitwerke anwendbar ist.

[0022] Fig. 4d und e zeigen Varianten mit einer ähnlichen druckausgleichenden Wirkung, bei denen sich die schlitz- oder dreieckförmigen Ausnehmungen 7, 7' im wesentlichen quer zur Längsachse des Flugkörpers, d.h. in Spannweitenrichtung der Flossen 2 erstrecken.

[0023] Die verschiedenen Möglichkeiten des Druckausgleichs können auch miteinander kombiniert werden, wie die Fig. 5a und b mit Einzelflügeln 2, Stegen 3 und Perforationen 5 zeigen, wenn sich z.B. im Laufe der Auslegung eines Leitwerkes zeigen sollte, daß die Halterungen 3 den seitlichen Druckausgleich zu stark behindern.

[0024] In Fig. 6 ist schließlich noch ein Leitwerk mit nach vorn gedrehten Flossen 2 gezeigt, bei dem diese mit ihrer einen Ecke 8 starr am Rumpf 1 befestigt sein können. Dies entspricht Fig. 3a, wenn bei dieser ein gleitender Übergang zwischen Flosse 2 und Halterung 3 vorgesehen wird. Es ist aber auch eine Ausführung als Klappleitwerk mit dem Dreh-Kipp-Lager 9 möglich, bei dem in bekannter Weise die Flossen 2 zuerst um eine Achse parallel zur Flugkörperlängsachse aufgeklappt und dann nach vorn, oder je nach Anordnung gegebenenfalls auch nach hinten, gekippt werden. Damit erhält man ein auch im Hinblick auf die Abminderung der Leitwerkswirksamkeit durch den Abgasstrahl aerodynamisch günstiges Leitwerk.

[0025] Die in den Fig. 2 bis 6 gezeigten Flossen besitzen einen rechteckigen Grundriß, was jedoch keine Notwendigkeit ist. > Insbesondere bei Klappleitwerken können sich aus baulichen Gründen auch andere Grundrisse ergeben. Die erfindungsgemäße Wirkung der Leitwerke, die Reduzierung der Bodenwindempfindlichkeit, ändert sich dadurch nicht.

[0026] Die gezeigten starren oder gleich beim Start aufklappenden erfindungsgemäßen Leitwerke ändern ihre Konfiguration der Einfachheithalber während des Fluges nicht. Es sind aber auch kompliziertere Leitwerke mit einem den bekannten verspätet aufklappenden Leitwerken vergleichbaren Aufwand möglich, welche eine noch weitergehende Reduzierung der Bodenwindempfindlichkeit ermöglichen. So kann z.B. bei der in Fig. 3a gezeigten Variante die Flosse 2 um die Achse des Steges 3 federnd drehbar gelagert sein. Dadurch wird bei der Lage dieses Drehpunktes - in Flugrichtung betrachtet - vor dem Angriffspunkt der Auftriebskraft an der Flosse 2 deren Anstellwinkel kleiner als der des Rumpfes sein, was eine effektive Reduzierung der Wirksamkeit des Leitwerkes bedeutet.

[0027] Ungelenkte Flugkörper sind so ausgelegt, daß sie zum Ausgleich von Asymmetrien rotieren. Die Drehgeschwindigkeit um die Längsachse steigt mit der Fluggeschwindigkeit an. Die Fliehkraft oder der Staudruck können dazu benutzt werden, bei höheren Machzahlen die Leitwerksflächen z.B. zu verriegeln. Entsprechend können Perforationen abgedichtet oder Leitwerksflossen z.B. bei einer Version nach Fig. 6 an den Rumpf gedreht werden, um mit ansteigender Fluggeschwindigkeit den stabilitätsreduzierenden Einfluß der kleinen Streckung verstärkt zu reduzieren oder ge- ) gebenenfalls auch ganz zu beseitigen.

Ansprüche

1. Feststehendes oder aufklappendes Leitwerk für gelenkte oder ungelenkte Überschallflugkörper, dadurch gekennzeichnet , daß die Flossen (2) des Leitwerkes zur Verminderung ihrer Wirksamkeit insbesondere zu Beginn der Flugphase derart ausgebildet sind, daß ein verstärkter Druckausgleich zwischen ihrer Ober- und Unterseite möglich ist.

2. Leitwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flossen (2) eine kleine Streckung, insbesondere eine Streckung kleiner als 1, aufweisen.

3. Leitwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flossen (2) als separate, unabhängig voneinander wirkende Flügel ausgebildet sind, die unter Belassung eines außerhalb der Kontur des Flugkörpers liegenden Zwischenraumes (4) im Abstand vom Flugkörperrumpf (1) angeordnet und mit diesem über wenigstens einen den Zwischenraum (4) überbrückenden Steg (3) verbunden sind.

4. Leitwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flossen (2) außerhalb der Kontur des Flugkörpers und vorzugsweise im Bereich ihres dem Flugkörper zugewandten Endes mit schlitzförmigen Ausnehmungen (6, 6') versehen sind.

5. Leitwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flossen (2) gekippt angeordnet und nur an einer Ecke (8) mit dem Rumpf (1) des Flugkörpers verbunden sind.

Zeichnung