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Durch Schub angetriebenes Fahrzeug, wie z. B. eine Rakete, bei. de
n. in der Schubdüse zum Steuern durch Zuführung eines Strömungsmittels einseitig
Stoßwellen erzeugt werden Die Erfindung bezieht sich auf ein durch Schub angetriebenes
Fahrzeug, wie z. B. eine Rakete, bei dem in der Schubdüse eine Überschallströmung
erzeugt wird und zur Steuerung der Längsneigung und der Seitenrichtung durch Öffnungen
in der Düsenwand im Bereich der Überschallströmung einseitig ein Strömungsmittel
eingeführt wird. Beim Auftreffen des Strömungsmittels auf die Überschallströmung
entstehen Stoßwellen. Diese Stoßwellen laufen bis zur gegenüberliegenden Düsenwand
und erzeugen dort Kräfte, so daß ein Mittel zum Beeinflussen der Längsneigung und
der Seitenrichtung der Rakete entsteht. Eine auf diesem Prinzip aufgebaute Steuervorrichtung
ist bekannt.
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Die bekannte Steuereinrichtung ist symmetrisch aufgebaut. Zum Erzeugen
von Rollbewegungen sind besondere Mittel erforderlich.
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Durch die Erfindung ist es möglich, mit der bekannten Einrichtung
auch Rollbewegungen zu erzeugen. Dadurch werden besondere Einrichtungen zum Erzeugen
von Rollbewegungen überflüssig, und man erhält ein integriertes Steuersystem, mit
dem Bewegungen der Rakete um sämtliche drei Achsen hervorgerufen werden können.
Dies wird dadurch erreicht, daß der Querschnitt der Düse mindestens im Gebiet strömungsunterhalb
der Öffnungen in der Düsenwand von der Kreisform abweicht, vorzugsweise elliptisch
ist und die Öffnungen zumindest zum Teil an Stellen liegen, denen gegenüber die
Düsenwand unsymmetrisch verläuft, und bei elliptischem Querschnitt sich im Gebiet
zwischen der Haupt- und der Nebenachse der Ellipse befinden.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung bestehen die Öffnungen aus
Paaren, deren Einzelöffnungen sich diametral gegenüber auf durch den Mittelpunkt
des Querschnittes gehenden Diagonalen liegen. Durch diese Zusammenfassung der Öffnungen
zu Paaren wird das Erzeugen von reinen Roll-Bewegungen möglich. Hierzu sieht die
Erfindung vor, daß die Öffnungen paarweise steuerbar sind, um wahlweise Kräftepaare
für Rollbewegungen in der einen oder der anderen Drehrichtung zu ei-zeugen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung. Dabei ist F i g.1 eine Ansicht auf
eine Überschall-Abgasdüse gemäß der Erfindung, F i g. 2 eine Rückansicht auf die
in F i g.1 gezeigte Abgasdüse und F i g. 3 eine F i g. 2 ähnliche Ansicht, die eine
Abwandlung zeigt.
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Die vorliegende Erfindung wird im folgenden im Zusammenhang mit einer
Verbrennungskammer und der Abgasdüse einer Rakete beschrieben. Es sei jedoch ausdrücklich
darauf hingewiesen, daß sich die Erfindung bei jeder Schubeinheit anwenden läßt,
bei der eine tberschallströmung auftritt. Die Erfindung ist in keiner Weise auf
die im folgenden beschriebene Rakete beschränkt.
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F i g. 1 zeigt eine Verbrennungskammer 10 und eine Abgasdüse
12. Die Abgasdüse 12 besteht aus einem konvergierenden Abschnitt 14 und einem divergierenden
Abschnitt 16. Die aus der Verbrennungskammer 10 austretenden Abgase durchlaufen
die Düse 12 und werden in bekannter Weise bis auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt.
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Man erkennt aus F l g. 2, daß die Abgasdüse 12 im wesentlichen
elliptische Form hat. Aus Gründen der Klarheit und Einfachheit wird die Abgasdüse
12 so beschrieben, als ob sie auf ihrer gesamten Länge im wesentlichen elliptisch
wäre. Ausdrücklich darauf hingewiesen sei jedoch, daß es für die Zwecke der Erfindung
ausreicht, wenn nur ein Teil der Düse 12 elliptische Form hat.
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In der elliptischen Wand der Abgasdüse 12 sind mehrere Öffnungen vorgesehen.
Die Öffnungen 1i# und 20 liegen auf -der kleineren Achse, und die öffnungen 22 und
24 liegen auf der größeren Achse der
Ellipse. Die Öffnungen 26,
28, 30 und 32 liegen etwa mittig zwischen der Haupt- und Nebenachse. Die Öffnungen
26 und 30 liegen sich diagonal gegenüber, d. h., eine Verbindungslinie zwischen
den Öffnungen 26 und 30 schneidet den Schnittpunkt der Haupt-und Nebenachse der
Ellipse. Ebenso liegen sich die Öffnungen 28 und 32 diagonal gegenüber.
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Jede der in der Wand der Düse vorgesehenen Öffnungen ist mit einer
Versorgungsleitung 34 verbunden, die zu einer. Sammelleitung 36 führt. Die Sammelleitung
36 erhält aus einer nicht dargestellten Quelle eine Flüssigkeit, wie z. B. Hydrazin,
oder die Sammelleitung 36 wird aus der Wasserstoffanlage der Rakete, die z. B. als
Antrieb Wasserstoff und flüssigen Sauerstoff verwendet, mit Wasserstoff in Gasform
gespeist. In jeder Versorgungsleitung 34 liegt zwischen der Sammelleitung 36 und
der Öffnung in der Wand der Düse 12 ein im allgemeinen geschlossenes Steuerventil
38.
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Die Ventile 38 lassen - sich wahlweise mit einer Steuerung 40 betätigen.
Eine Leitung 42 enthält voneinander getrennte elektrische Leitungen 44, die zu den
einzelnen Ventilen 38 führen. Diese lassen sich damit einzeln durch die Steuerung
40 mit Signalen betätigen. Als Steuerurig 40 kann ein bekannter Autopilot genommen
werden, der auf Längsneigung, Gieren und Rollen des Fahrzeuges anspricht, auf dem
er befestigt ist. Es kann ein Gyroskop bekannter Bauart genommen werden. Verwiesen
sei auch auf die in den USA.- Patentschriften 2 619 623 und 2 733 878 beschriebenen
Steuereinrichtungen. Bei der Erfindung betätigen die Signale des Autopiloten, die
sonst auf das Seitensteuer eines Flugzeuges einwirken, die zu den Gierungs-Einspritzstellen
führenden Steuerventile 38. Diejenigen Signale, die sonst die Höhensteuer betätigen,
wirken in diesem Fall auf die zu den Längsneigungs-Einspritzstellen führenden Ventile
38. Diejenigen Signale, die sonst auf die Querruder einwirken, werden im vorliegenden
Fall zur Betätigung der zu den Roll-Einspritzstellen führenden Ventile 38 verwendet.
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Gemäß den Lehren der USA.-Patentschrift 2 943 821 führt das Einspritzen
eines Mediums in eine Überschallströmung zu einem Stoß und erhöht den auf der Wand
der Düse lastenden Druck. Die Steuerventile 38 sind" im allgemeinen geschlossen.
Jede Abweichung in der Längsneigung oder im Kurs der Rakete wird jedoch durch die
Steuerung 40 erkannt, und ein Signal wird über die elektrischen Leitungen
44 dem betreffenden Ventil 38 zugeführt, eine Versorgungsleitung 34 wird
geöffnet, und in die Überschallströmung wird durch eine der Öffnungen Flüssigkeit
eingespritzt. Sollte die Rakete z. B. mit nach unten gerichteter Nase aus dem Kurs
ausbrechen, wird das Ventil 38 in der zu der Öffnung 20 führenden Versorgungsleitung
34 geöffnet und an dieser Stelle Flüssigkeit in die Überschallströmung eingespritzt.
Eine Stoßwelle wird erzeugt, der Druck steigt hinter der Stoßwelle an und erzeugt
an dieser Stelle ein Druckübergewicht auf der Wand der Düse, wodurch ein Drehmoment
um den Schwerpunkt der Rakete entsteht, der angenommenermaßen oberhalb der Einspritzpunkte
liegt, und die Rakete wird auf richtigen Kurs zurückgebracht. Auf ähnliche Weise
kann ein Signal von der Steuerung 40 das Ventil 38 in der zur Öffnung 18.
führenden Leitung 34 öffnen, so daß bei einer Längsneigung in entgegengesetzter
Richtung Flüssigkeit durch die Öffnung 18 eingespritzt wird. Bei einer Abweichung
im Kurs öffnen Signale von der Steuerung 40 die zu den Öffnungen 22 und 24
führenden Ventile 38. Es ist offensichtlich, daß die Einspritzpunkte zum Korrigieren
von Kurs und Längsneigung gleichzeitig mit Signalen betätigt werden können, die
über die Leitungen 44 den entsprechenden Ventilen 38 zugeleitet werden.
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Das Einführen von Flüssigkeit in die 10berschall-Abgasströmung erzeugt
eine konische Stoßwelle, die zum Einspritzpunkt symmetrisch verläuft. Beim Einspritzen
der Flüssigkeit durch eine auf der Achse liegende Öffnung ist die Summe der auf
die Düsenwand einwirkenden Kräfte äquivalent zu einer entlang der Achse wirkenden
Kraft. Dies liegt daran, daß die elliptische Wand der Düse zu der Haupt-und Nebenachse
symmetrisch ist. Wird jedoch gemäß der Erfindung die Flüssigkeit durch eine zwischen
der Haupt- und Nebenachse liegende Öffnung 26, 28, 30 oder 32 eingeführt, erzielt
man ein anderes Ergebnis, weil an diesen Stellen die elliptische Wand der Düse 12
nicht symmetrisch zu der den Schnittpunkt der Haupt- und Nebenachse mit dem Einspritzpunkt
26 verbindenden Linie ist. Obgleich ein Einspritzen von Flüssigkeit durch die Öffnung
26 eine symmetrisch konische Stoßwelle erzeugt, geht die Summe der auf die Düsenwand
wirkenden Kraft nicht durch den Schnittpunkt der Haupt- und Nebenachse hindurch.
Die Druckbelastung der Wand und die resultierende Kraft werden in F i g. 2 durch
die schattierte Fläche und den Pfeil gezeigt. Ein ähnliches Ergebnis tritt beim
Einspritzen von Flüssigkeit durch die Öffnung 30 auf. Man erkennt somit, daß das
gleichzeitige Einspritzen von Flüssigkeit in die Überschallströmung an sich diagonal
gegenüberliegenden Einspritzpunkten in den zugehörigen Viertelellipsen ein um den
Mittelpunkt der Ellipse wirkendes Kräftepaar erzeugt. Das Einspritzen durch die
Öffnungen 26 und 30 erzeugt ein Kräftepaar entgegen der Uhrzeigerrichtung, und ein
Einspritzen von Flüssigkeit durch die Öffnungen 28 und 32 erzeugt ein Kräftepaar
in Uhrzeigerrichtung. Jedes unerwünschte Rollen der Rakete wird mit der Steuerung
40 erkannt, die darauf das zugehörige Ventil 38
betätigt, um zur Gegensteuerung
des Rollens Flüssigkeit einzuspritzen.
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Rollt die Rakete in unerwünschter Weise in Uhrzeigerrichtung, öffnet
die Steuerung 40 über die Leitungen 44 gleichzeitig die zu den Öffnungen
26 und 30 führenden Ventile 38. In die überschallströmung wird darauf Flüssigkeit
eingeführt und an den Öffnungen 26 und 30 entstehen Stoßwellen, die ein Kräftepaar
entgegen der Uhrzeigerrichtung in der oben beschriebenen Weise erzeugen. Rollt die
Rakete in unerwünschter Weise entgegengesetzt zur Uhrzeigerrichtung, wird Flüssigkeit
über die Öffnungen 28 und 32 zugeführt, und es entsteht ein Rollmoment in Uhrzeigerrichtung.
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Man erkennt, daß die Rollsteuerung gleichzeitig mit der Steuerung
für Kurs und Längsneigung wirkt. Zum Erzielen bester Ergebnisse sollten die Öffnungen
zwischen der Haupt- und Nebenachse sich diagonal gegenüberliegen, d. h., eine zwischen
ihnen gezogene Linie sollte durch den Mittelpunkt der Ellipse gehen, und vorzugsweise
sollten die Öffnungen auf einer Linie liegen, die den Winkel zwischen der Haupt-
und Nebenachse halbiert. Die Anordnung der Öffnungen ist jedoch keineswegs auf diese
Form beschränkt, denn sie können sich auch nicht diagonal
gegenüberliegen
oder unter einem anderen Winkel als 45° zu der Haupt- und Nebenachse oder beides.
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Wie bereits erläutert wurde, werden die Rollkräftepaare dadurch erzeugt,
daß die Düsenwand zu den Einspritzpunkten 26, 28, 30 und 32 nicht symmetrisch ist.
Es ergibt sich daraus, daß die Form der Düsenwand nicht genau elliptisch sein muß.
Es reicht aus, wenn die Wand nur annähernd elliptisch ist. Die einzige wichtige
Überlegung ist diejenige, daß die Düsenwand in dem Gebiet der Öffnungen zum Steuern
der Längsneigung und des Kurses symmetrisch und im Gebiet der Öffnungen zum Steuern
des Rollens unsymmetrisch ist.
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Eine andere Möglichkeit zeigt F i g. 3, bei der die Öffnungen 22 und
24 zum Korrigieren einer Kursabweichung weggelassen sind. Bei der in F i g. 3 gezeigten
Bauart dienen die Öffnungen 18' und 20' zum Regulieren der Längsneigung und die
Öffnungen zwischen der Haupt- und Nebenachse der Ellipse dienen zum Korrigieren
von Rollbewegungen wie in F i g. 2. Eine Regulierung von Kursabweichungen läßt sich
jedoch erreichen durch gleichzeitiges Einspritzen von Flüssigkeit durch die Öffnungen
28' und 30' oder 26' und 32'. Ebenso könnten die Öffnungen auf der Hauptachse beibehalten
werden zum Korrigieren von Kursabweichungen, wobei dann die Öffnungen
18' und 20' wegfielen und die Längsneigung in diesem Fall korrigiert
wird durch gleichzeitiges Einspritzen von Flüssigkeit durch die Öffnungen
26' und 28' oder 30' und 32'.
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Wie oben ausgeführt sollte die Düse 12 auf ihrer gesamten Länge
elliptisch sein. Für die Zwecke der Erfindung ist es jedoch ausreichend, wenn die
Düse nur im Gebiet der Flüssigkeitseinspritzung und ein kurzes Stück strömungsunterhalb
elliptische Form hat.