DE3606835A1 - Lenkeinrichtung fuer projektile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lenkeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Lenkeinrichtungen sind als anstellbare Ruderblätter bei­ spielsweise aus der DE-PS 28 18 593 oder aus der DE-PS 30 10 027 als an den Rumpf eines Flugkörpers heranklappbare Heck-Leitwerke bekannt. Insbesondere betrifft die Erfindung jedoch derartige Lenk­ einrichtungen bei fernsteuerbaren oder selbststeuernden, rasch laufen­ den Unterwasserprojektilen oder bei Submunitions-Flugkörpern.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der apparative Aufwand für die Realisierung derartiger Lenkeinrichtungen sich zwar reduzieren läßt, wenn für das Stellglied zur Anstellung des zuge­ ordneten Ruderblattes anstelle einer analogen Arbeitsweise eine diskontinuierliche Betriebsweise (insbesondere im Dreipunkt-Betrieb mit einer neutralen Ruderblatt-Stellung zwischen zwei diskret möglichen Anstellwinkeln) vorgesehen wird; daß aber dann ein komplizierter Regelalgorithmus und ein entsprechender Schaltungsaufwand für die Realisierung der Informationsverarbeitung in Regel- und Steuerungsein­ richtungen erforderlich wird, um regelungstechnische bzw. flugdynamische Unstabilitäten zu vermeiden, weil dann die Wirkung hoher Anströmge­ schwindigkeiten nicht durch eine entsprechende kontinuierliche Variation des Ruderblatt-Anstellwinkels ausgeglichen werden kann.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine apparativ einfache, aber auch über einen hohen An­ strömgeschwindigkeitsbereich wirksame Lenkeinrichtung für die oben umrissenen Anwendungsfälle zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die gattungsgemäße Lenkeinrichtung gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 ausgelegt ist.

Nach dieser Lösung können einfach aufgebaute, da im Dreipunktbetrieb ansteuerbare Stellglieder Einsatz finden, deren Stellhübe (und damit der jeweilige Ruderblatt-Anstellwinkel) nach Maßgabe der Betriebs­ gegebenheiten (nämlich der Anströmgeschwindigkeit) auf unterschied­ liche Maximalwerte begrenzt sind. Zu Beginn des Missionszeit, wenn noch sehr hohe Anströmgeschwindigkeiten vorliegen, bewirkt also die Einheitsansteuerung des Stellgliedes nur einen kleinen Anstell­ winkel; wodurch strömungsdynamische Übersteuerungen bzw. das Er­ fordernis sehr rascher Regelkreis-Reaktionen vermieden sind. Dadurch kann die Grenzfrequenz des Regelkreises niedrig gehalten werden, was die Realisierung einfacher (also preiswerter und störungssicher arbeitender) Regelkreisstrukturen mit überschaubaren Funktionsalgo­ rithmen ermöglicht.

Es kann eine kontinuierliche Veränderung der Begrenzung des Anstell­ winkels in Abhängigkeit von der gemessenen Anströmgeschwindigkeit oder von dem Ablauf der Missionsdauer des Projektils vorgesehen sein. Apparativ einfacher und für die vorgesehene Arbeitsweise aus­ reichend ist es jedoch, bei der Funktion des Stellgliedes, also für die Verschwenkung des Ruderblattes unterschiedlich orientierte Paare von Anschlägen vorzusehen, die z.B. nacheinander außer Wirkung gesetzt werden; so daß in Abhängigkeit von der Missionsdauer die Ansteuerung des Stellgliedes zu unterschiedlichen Anstellwinkeln führt.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammenfassung, aus nachstehender Beschreibung von in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert skizzierten bevorzugten Reali­ sierungsbeispielen zur erfindungsgemäßen Lösung. Es zeigt

Fig. 1 in Seitenansicht ein Projektil mit Heckruder-Lenk­ einrichtung,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung ein Prinzipbeispiel für die Anstellwinkel-Betätigung mit Anschlagbe­ grenzung bei einem Lenkruder und

Fig. 3 Zeit- und Geschwindigkeitsdiagramme einer stetigen und einer unstetigen Variation der Anschlagbegrenzung.

Ein Projektil 11, beispielsweise ein Unterwasserlaufkörper oder ein, mit hoher Anfangsgeschwindigkeit über Grund, aus einem Träger ausgestoßener Submunitionsflugkörper, ist mit einer Lenkeinrichtung 12 zur Ansteuerung eines Zielobjektes ausgestattet. Dafür kann eine Fernsteuerung vorgesehen sein; oder eine Selbststeuerungseinrichtung mit einem Sensor 13, beispielsweise in der Ausführung eines starr eingebauten Detektors oder eines Zielverfolgungs-Suchkopfes. Der Sensor 13 liefert Zielablageinformationen 14 an ein vorprogrammiertes Steuergerät 15 zur Gewinnung von Stellgrößen 16 für die Anstellung von Ruderblättern 17, um dem Projektil 11 Drehmomente um seine körper­ festen Achsen einzuprägen, also die räumliche Orientierung seiner Längsachse 18 und ggf. auch seinen Bewegungszustand um diese Achse herum zu beeinflussen.

Zur Vereinfachung der Darstellung ist in Fig. 2 vorgesehen, daß ein Stellglied 19, beispielsweise ein elektromechanischer oder ein Fluid-Aktuator, über eine radiale Koppelstange 20 an eine Stellwelle 21 angelenkt ist, die ihrerseits starr mit den Ruderblättern 17 einer Diametral-Querschnittsebene des Projektils 11 verbunden ist. Die Ansteuerung des Stellgliedes 19 mit einer Stellgröße 16 bewirkt also ein Verdrehen der Stellwelle 21 und dementsprechend eine An­ stellung des Ruderblattes 17 um den Anstellwinkel d gegenüber der Projektil-Längsachse 18.

Eine apparativ besonders einfache Ausführung des Stellgliedes 19 ergibt sich, wenn dieses diskontinuierlich und dabei insbesondere im Dreipunktbetrieb arbeitet; also ohne Stellgrößen-Ansteuerung das Ruderblatt 17 in der neutralen Stellung (Anstellwinkel d=0) hält - was auch durch die Asymmetrie der Lage der Stellwelle 21 am Ruderblatt 17 strömungsdynamisch bewirkt oder jedenfalls unter­ stützt sein kann - , während das Steuergerät 15 für Abgabe nur einer betragsmäßig einzigen Stellgröße 16 samt eines der beiden möglichen Vorzeichen ausgelegt ist, um den durch Anschläge 26 definierten positiven oder negativen maximalen Anstellwinkel dmax hervorzurufen. Die Intensität des Kursmanövers ist dann - in Abhängigkeit von der momentanen Geschwindigkeit v gegenüber der Umgebungsanströmung - durch Variation der Zeitspannen beeinflußbar, über die die jeweilige Stellgröße 16 ausgegeben, der maximale Anstellwinkel dmax also vor Rückkehr in die neutrale Stellung d=0 beibehalten bleibt.

Trotz des großen apparativen Vorteiles eines solchen Zweipunkt-(oder Dreipunkt-) Betriebes des Anstell-Stellgliedes 19 weist diese dis­ kontinuierliche Anstellung aber betriebliche Nachteile auf. Denn da keine kontinuierliche Veränderung des Anstellwinkels d um kleine Winkel möglich ist, ein fest vorgegebener Ausschlag 26 für die An­ stellung des Ruderblattes 17 aber je nach der Anströmgeschwindigkeit v auch sehr große Auswirkungen auf die momentanen Bewegungsgrößen des Projektils 11 haben kann, muß die Ansteuerung des Stellgliedes 19 im schnellen Impulsbetrieb (nach Art einer Pulslängenmodulation) erfolgen, um Übersteuerungen und daraus resultierende Fluginstabili­ täten zu vermeiden. Das bedingt einen sehr hohen Aufwand für schnelle Informationsverarbeitung innerhalb des Steuergerätes 15 und die Ausbildung rasch ansprechender, aber trotz des diskontinuierlichen Betriebes für stabile Arbeitsweise auszulegender Regelkreise, also einen schaltungstechnisch aufwendigen und damit teueren Regelalgo­ rithmus für die Ansteuerung des Stellgliedes 19 aus dem Steuergerät 15.

Um den Vorteil des einfachen da diskontinuierlich arbeitenden Stell­ gliedes 19 nicht durch diesen Nachteil aufzuwiegen, ist nun vorge­ sehen, unter Beibehaltung des Zweipunkt- bzw. Dreipunktbetriebes des Stellgliedes 19 dessen Stellweg, also den Anstellwinkel dmax, in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit v zu ändern; nämlich diesen bei hoher Anströmgeschwindigkeit v klein zu halten und im Verlaufe des Missionszeit t, nach Abbau der Anfangsgeschwindigkeit, dann einen größeren Anstellwinkel dmax zuzulassen.

Hierfür ist ein Begrenzungsgeber 22 vorgesehen, der - kontinuierlich wie in Fig. 3 gestrichelt berücksichtigt oder diskontinuierlich - in Abhängigkeit von der momentanen Anströmgeschwindigkeit v von einem Geschwindigkeitssensor 23 oder aber einfach in Abhängigkeit vom Ablauf der Missionszeit t aus einem Zeitglied 24 (ggf. mit zentraler Informationsverarbeitung im Steuergerät 15, wie in Fig. 2 berück­ sichtigt) umsteuerbar ist, um einen Stellbegrenzer 25 im Wirkmecha­ nismus zwischen dem Stellglied 19 und der Stellwelle 21 zu beein­ flussen.

Die Ansteuerung des Stellgliedes 19 gestaltet sich also denkbar einfach, indem entweder die Stellgröße 16 weggenommen wird (womit das Ruderblatt 17 sich in die neutrale Stellung mit dem Anstellwinkel d=0 einstellt), oder aber das Stellglied 19 mit dem einen oder mit dem anderen Vorzeichen angesteuert wird, bis der jeweilige Anschlag 26 (erforderlichenfalls auch als Endschalter zur Auslösung weiterer Steuerungsvorgänge) in der Arretierstellung d′ wirksam wird.

Als die Anschläge 26 des Stellbegrenzers 25 können Stellungssensoren im Bewegungsbereich vom Stellglied 19 über die Kopplung auf die Stellwelle 21 vorgesehen sein, wobei je nach dem maximalen Anstell­ winkel dmax in unterschiedlichen Arretierstellungen d′ vorgesehene Stellungssensoren von dem Begrenzungsgeber 22 aktiviert bzw. abgefragt werden. Konstruktiv einfacher ist, wie in Fig. 2 vorgesehen, ein Paar variabler machanischer Anschläge 26 im Bewegungsweg der Koppel­ stange 20 zwischen Stellglied 19 und Stellwelle 21 zur Realisierung des Stellbegrenzers 25. Dazu können verfahrbare Anschläge 26 auf einer Spindel 27 mit gegenläufigen Gewindehälften ausgebildet sein, die von einem rotatorischen Begrenzungsgeber 22 in diskrete oder kontinuierlich veränderbare Arretierstellungen d′ für den positiven oder negativen Anstellwinkel dmax verfahrbar sind. Da in der Praxis nur eine Geschwindigkeitsabnahme der Projektils 11, also eine Ver­ größerung des maximalen Anstellwinkels dmax, über der Missionszeit t von praktischem Interesse ist, genügt es, entsprechend der ausge­ zogenen Darstellung in Fig. 3 für die Anfangszeit t, in der die Anströmgeschwindigkeit v noch sehr groß ist, winkelmäßig enge Arretier­ stellungen -d′1 ... +d′1 vorzusehen, die zum Umschaltzeitpunkt t 2 unwirksam gemacht werden, beispielsweise elektromechanisch oder mittels eines zeitgesteuerten pyrotechnischen Kraftelementes aus dem Anschlag-Bewegungsweg der Koppelstange 20 entfernt werden; so daß danach der größere Anstellwinkel dmax zwischen breiter ausein­ anderliegenden Anschlägen 26 entsprechend den Arretierstellungen -d′2 ... +d′2 wirksam bleibt.

So ist sichergestellt, daß in der kritischen Flugphase hoher Anström­ geschwindigkeit v nur kleine Auslenkungen der Ruderblätter 17 möglich sind und dadurch strömungsdynamische bzw. Regelkreis-Instabilitäten infolge zu großer Anstellwinkel dmax sicher unterbunden bleiben; während bei Rückgang auf kleinere Anströmgeschwindigkeiten v nach längerer Missionszeit t hinreichende strömungsdynamische Wirkungen der Ruderblatt-Anstellung sichergestellt sind, indem die Anstell­ winkel dmax dann bei gleichen Stellgrößen wesentlich größer werden.

Claims (9)

1. Lenkeinrichtung (12) für Projektile (11) mit gegenüber einer Neutralstellung anstellbaren Ruderblättern (17), dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit (v) einstell­ bare Begrenzungsgeber (22) für diskontinuierlich einnehmbare Anstellwinkel (dmax) vorgesehen sind.

2. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungsgeber (22) in Abhängigkeit von der Missions­ zeit (t) einstellbar ist.

3. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungsgeber (22) diskontinuierlich einstellbar ist.

4. Lenkeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungsgeber (22) zwischen einem sehr kleinen Anstell­ winkel (dmax) zu Beginn der Missionszeit (t) und einem großen Anstellwinkel (dmax) während der sich anschließenden Missionszeit (t) umschaltbar ist.

5. Lenkeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungsgeber (22) mit einem Stellbegrenzer (25) im Bewegungsbereich der Kopplung vom Stellglied (19) auf die Stellwelle (21) des Ruderblattes (17) ausgestattet ist.

6. Lenkeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellbegrenzer (25) mit Anschlägen (26) für die Dreh­ bewegung der Stellwelle (21) ausgestattet ist.

7. Lenkeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschläge (26) in unterschiedliche Arretierstellungen (d′) bewegbar sind.

8. Lenkeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschläge (26) in unterschiedlichen Arretierstellungen (d′) vorgesehen und selektiv ansteuerbar sind.

9. Lenkeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Pulsbreitenmodulation ansteuerbares Anstell-Stellglied (19) vorgesehen ist.