DE68902655T2

DE68902655T2 - Stabilisierung und lageaenderung durch kleine triebwerke.

Info

Publication number: DE68902655T2
Application number: DE8989301284T
Authority: DE
Inventors: Peter G Foulsham; Anthony Machell
Original assignee: British Aerospace PLC
Current assignee: MBDA UK Ltd
Priority date: 1988-02-11
Filing date: 1989-02-10
Publication date: 1993-01-28
Anticipated expiration: 2009-02-11
Also published as: EP0329342B1; DE68927060T2; EP0489712A3; GB8803164D0; DE68902655D1; EP0489712B1; DE68927060D1; EP0329342A1; US4955558A; EP0489712A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Rückstoßsteuersystem für ein Projektil, z.B. für eine Lenkwaffe oder ein Mörsergeschoß, und die Erfindung bezieht sich weiter auf Projektile, die solche Systeme umfassen.
Die Richtungssteuerung von Lenkflugkörpern während des Fluges kann entweder aerodynamisch unter Benutzung beweglicher Steuerflächen, beispielsweise Flossen oder dadurch bewirkt werden, daß man Rückstoßsteuersysteme benutzt, bei denen Steuerschubstrahlen erzeugt werden, indem ein Reaktionsgas quer zu dem Lenkflugkörper ausgeblasen wird. Bei bekannten Beispielen des letztgenannten Steuerverfahrens ist es üblich, Einschuß-Zündladungen oder gepulste Einheiten zu benutzen. Es wird angenommen, daß hierdurch das Ausmaß und die Genauigkeit der Steuerung begrenzt wird, und bei diesen Systemen ist es erforderlich, daß der Autopilot des Lenkflugkörpers in spezieller Weise ausgebildet ist, um in Verbindung mit diesem Steuerverfahren arbeiten zu können. Bei diesen Systemen bleibt die Größe des Schubs im wesentlichen gleich; die einzig verfügbare Steuerung ist eine Steuerung der Länge der Impulse. Von der Anmelderin durchgeführte Untersuchungen zeigen, daß die Notwendigkeit für ein Rückstoßsteuersystem besteht, das einen Schub erzeugt, dessen Größe kontinuierlich verändert werden kann. Außerdem besteht eine Notwendigkeit für ein solches System, bei dem die Beziehung zwischen der Bewegung des Gliedes, das das Rückstoßsteuersystem steuert und dem dadurch erreichten Schub, der hierdurch erzeugt wird, allgemein kompatibel mit dem Steuersystem einer Flossenanordnung ist, so daß das Rückstoßsystem von einem bestehenden Autopiloten gesteuert werden kann, ohne daß größere Abwandlungen getroffen werden müßten.
Die EP-A-2 44 971 beschreibt ein Flugsteuersystem für einen Lenkflugkörper, bei dem ein gemeinsamer Antrieb sowohl eine Flosse als auch ein Gasschubventil steuert.
Gemäß der Erfindung ist ein Rückstoßsteuersystem für ein Projektil vorgesehen, welches einen Düsenaufbau besitzt, der ein Gehäuse besitzt, das einen Düsenauslaß und eine Bohrung benachbart zu dem Auslaß definiert, wobei ein Kolben in der Bohrung angeordnet und beweglich ist, um den Düsenauslaß zu öffnen oder zu schließen, und wobei ein Antrieb vorgesehen ist, um den Kolben zu bewegen, wobei der Kolben einen hindurchlaufenden Kanal aufweist, durch den der Druck auf einem Ende des Kolbens auf das andere Ende hiervon übertragen wird.
Die Erfindung umfaßt auch ein Projektil, welches ein Rückstoßsteuersystem gemäß obiger Definition aufweist.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein Projektil vorgesehen, das ein Reaktionssteuersystem gemäß obiger Definition aufweist, das in der Lage ist, eine Steuerung in jedem Steuersinn des Projektils zu bewirken, wobei aerodynamische Ruderflächen beweglich angeordnet sind, um eine Steuerung in jedem der Steuerrichtungen des Projektils durchführen zu können und ein Autopilot eine Steuerung gleichzeitig über das Reaktionssteuersystem und die aerodynamischen Steuerruder bewirkt.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Systems ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn bei einem Projektil die Forderung besteht, daß die von den aerodynamischen Ruderflächen ausgeübte Steuerfunktion entweder durch ein Rückstoßsteuersystem verstärkt wird um z.B. ein Endmanöver durchzuführen, oder wenn die aerodynamische Steuerfunktion durch das Rückstoßsystem ersetzt werden soll, wenn das Projektil zu langsam fliegt, um die aerodynamischen Ruderflächen wirksam werden zu lassen, z.B. beim Start.
Nachstehend wird die Erfindung anhand nicht beschränkender Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 und 2 Schnittansichten eines Schubsteueraufbaus gemäß der Erfindung in der geöffneten Stellung bzw. in der geschlossenen Stellung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Steuerschubaufbaus, welches in einer Servoschleife angeordnet ist;
Fig. 4 eine schematische Rückansicht eines Antriebsaufbaus eines Beispiels des Rückstoßsteuersystems gemäß der Erfindung;
Fig. 5 einen Schnitt des Antriebsaufbaus gemäß Fig. 5, geschnitten längs der Linie V-V.
Fig. 6 eine schematische Ansicht eines Beispiels eines Lenkflugkörpers, der ein Rückstoßsteuersystem nach der Erfindung und einen Flossenaufbau aufweist;
Fig. 7 ein Blockschaltbild des Steuersystems des Lenkflugkörpers nach Fig. 6.
Das in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiel eines Lenkflugkörper-Rückstoßsteuersystems dient dazu, in Verbindung mit einem Flossenaufbau durch einen Autopiloten betätigt zu werden. Das Reaktionssteuersystem kann jedoch auch in Lenkflugkörpern Anwendung finden, die keinen Flossen- oder Ruderflächenaufbau besitzen.
Die Figuren 1 bis 3 sollen einen steuerhubaufbau zeigen, bei dem die Kraft oder das Drehmoment, welches erforderlich ist, um das Steuerelement zu bewegen, stark herabgesetzt sind, so daß der Aufbau geeignet ist, in Flugkörpern, beispielsweise in Lenkwaffen, Anwendung zu finden.
Die Figuren 1 und 2 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel eines Schubsteueraufbaus in der voll geöffneten bzw. voll geschlossenen Stellung. Der Aufbau umfaßt ein Gehäuse 50, das eine Auslaßeinschnürung 52 und eine Strömungszuführungsleitung 54 sowie einen Plungerkolben 56 aufweist, der in zwei im Abstand zueinander liegenden Bohrungen 58 und 60 gleitbar ist, von denen jede eine Gasdichtung 62 besitzt. Die Bohrung 60 ist am rückwärtigen Teil des Plungerkolbens 56 geschlossen, um eine Kammer 63 mit variablem Volumen zusammen mit dem rückwärtigen Ende des Plungerkolbens 56 zu definieren. Eine Druckausgleichsbohrung 64 durchsetzt die beiden axialen Stirnflächen des Plungerkolbens 56, um die auf den Plungerkolben 56 einwirkenden Druckkräfte auszugleichen.
Es kann ein Druckwandler 66 vorgesehen werden, um den Druck in der Kammer 63 variablen Volumens festzustellen, wobei der festgestellte Druck ein Maß des Druckes des Strömungsmittels in der Auslaßeinschnürung 52 und ebenso ein Maß für die Versetzung des Plungerkolbens 56 ist. Zwischen den Bohrungen 58 und 60 ist das Gehäuse 50 ausgenommen und es nimmt in diesem ausgenommenen Teil einen Betätigungshebel 68 auf, der am Plungerkolben 56 festgelegt ist. Der Betätigungshebel 68 trägt einen Zahnstangenabschnitt 70, in den ein Ritzel 72 eines nicht dargestellten Antriebsmotors eingreift, um den Plungerkolben zwischen den in Fig. 1 und 2 dargestellten Stellungen zu bewegen. Ein Plungerstellungssensorgestänge 74 kann mit dem Betätigungshebel 68 verbunden sein, um die Lage des Plungerkolbens zu bestimmen.
Bei dieser Anordnung kann der Schub angeschaltet, abgeschaltet oder auf Zwischenwerte eingestellt werden, indem der Plungerkolben 56 bewegt wird. Bei einem Proportional-Schubsystem kann der Antrieb die Form eines Servomotorgetriebes haben, während bei einem Zweipunktsteuersystem ein Schrittmotorantrieb benutzt werden kann, der direkt mit dem Plungerkolben verbunden ist.
Der wichtige Teil des Aufbaus nach Fig. 1 und 2 ist die Druckausgleichsbohrung 64, die es ermöglicht den Druck an der Auslaßeinschnürung abzunehmen.
Die Größe des abgenommenen Druckes ist eine Funktion der Plungerkolbenversetzung. Bei diesem System ist nur ein mäßig starker Servobetätigungsantrieb für den Plungerkolben erforderlich, da die resultierende Druckkraft, die auf den Kolben wirkt, gering ist. In der Abschaltstellung wirkt der Umgebungsdruck auf beide Enden des Plungerkolbens.
Lagedaten des Plungerkolbens können von einem Positionierungssensor bestimmt werden, der mit dem Lagesensorgestänge 74 verbunden ist, oder die Daten können von einem Druckwandler 66 erhalten werden, der die Drücke an der Auslaßeinschnürung über die Druckausgleichsbohrung 64 abnimmt.
Bei Betrieb mit unter Hoher Temperatur stehenden Gasen kann feuerfestes oder keramisches Material in dem Aufbau benutzt werden. Die Gaszuführung nach der Rückstoßanordnung kann vom Hauptvortriebs-Raketenmotorsystem abgenommen werden, oder von einer zugeordneten Heiß- oder Kalt-Schubgasquelle. Die Zahl der Rückstoßvorrichtungen ist eine Funktion der speziellen Steuersystemerfordernisse.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Rückstoßanordnung gemäß der Bauart nach Fig. 1 und 2 angeordnet in einer Servosteuerschleife. Zahlreiche der Komponententeile sind gleich und werden nicht im einzelnen nochmals beschrieben. Bei dieser Anordnung weist der Plungerkolben 56 einen integralen Zahnstangenabschnitt 70 auf, mit dem ein Ritzel 72 kämmt, das über eine Getriebekette mit einem Elektromotor 80 verbunden ist. Ein Potentiometer 81, das dem Elektromotor 80 zugeordnet ist, liefert ein Lagerückführungssignal, das einem Eingang eines Differentialverstärkers 82 zugeführt wird, der den Motor 80 steuert.
Es ist leicht erkennbar, daß die Anordnung gemäß Fig. 1 und 2 in das Proportionalsteuersystem gemäß Fig. 3 einbezogen werden kann. Stattdessen kann es auch in einem Zweipunktsteuersystem eingebaut sein.
Das Lageservo kann eine einzige Einheit wie dargestellt, mit einer Druckausgleichsöffnung 64 steuern, um die Betätigungskräfte zu vermindern, oder es können zwei Einheiten Rücken gegen Rücken angeordnet sein.
Bei den Beispielen gemäß Fig. 1 bis 3 kann die Benutzung von Drehmomentmotoren oder Getriebemotoren zur Betätigung der Kolben eine Übertragung größerer Kräfte zulassen, die mit Nocken ausgerüstete Anordnungen beschädigen könnten.
Es ist klar, daß das Rückstoßsteuersystem gemäß vorliegender Beschreibung so gekuppelt sein kann, daß es in Tandem mit dem Flassensteuersystem arbeitet, oder es kann unabhängig von irgendwelchen Flossensteuersystemen wirksam sein.
Die Figuren 4 und 5 veranschaulichen einen Antriebsaufbau 10 für ein Rückstoßsteuersystem. Der Aufbau 10 umfaßt ein Gehäuse 12, das einen Gasgenerator 14 aufnimmt und das einen äußeren Flansch 16 aufweist. Der äußere Flansch trägt vier Schubeinheiten 18, die im gleichen Abstand um den Umfang des Flugkörpers herum angeordnet sind. Jede Schubeinheit 18 umfaßt zwei ausgerichtete Schubanordnungen 20, die durch Leitungen 22 mit dem Gasgenerator 14 verbunden sind und jeweils in Gegenrichtung ausblasen. Die Gasströmung vom Gasgenerator 14 nach jeder Düse 20 ist kontinuierlich einstellbar. Die Schubeinheiten 18 werden durch einen Nocken 30 gesteuert, der drehbar am Flansch 16 befestigt und mit einem Betätigungshebel 32 verbunden ist. Eine Drehung des Nocken bewirkt eine inverse Arbeitsweise der Schubdüsen einer Einheit.
Die vier Schubeinheiten 18 sind im gleichen Winkelabstand um den Umfang des Flugkörpers angeordnet, so daß zwei Einheiten (die obere und die untere Einheit gemäß Fig. 4) in distanzierten Ebenen parallel zur Ebene der Hochachse liegen und zwei Einheiten (die linke und die rechte Einheit gemäß Fig. 4) in distanzierten Ebenen parallel zur Ebene der Querachse liegen. Im Betrieb werden, wie aus Fig. 6 ersichtlich, die Antriebsaufbauten gemäß Fig. 4 und 5 vor dem Massenmittelpunkt 40 des Flugkörpers angeordnet. Wenn sie gemeinsam benutzt werden, bewirken obere und untere Einheitenen eine Steuerung um die Hochachse und die linken und rechten Einheiten bewirken eine Steuerung um die Querachse. Wenn die oberen und unteren Einheiten nicht im Betrieb sind, um die gleiche Schubgröße in parallelen Richtungen zu erzeugen, dann wird eine Komponente eines Drehmomentes um die Längsachse erzeugt. Wenn der Schub, der von den oberen und unteren Einheiten erzeugt wird, gleich ist und in Gegenrichtung wirkt, dann wird ein einfaches Drehmoment um die Längsachse erzeugt. Ähnliche Betrachtungen gelten für die Arbeitsweise der linken und rechten Einheiten.
Der Gasgenerator kann einen beliebigen Aufbau besitzen. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist es ein Heißgasgenerator, der durch eine Zündeinrichtung 36 gezündet wird. Aus Sicherheitsgründen ist eine Bursterscheibenanordnung 38 vorgesehen.
Fig. 6 veranschaulicht den Flugkörper mit einer Rückstoßsteuerung 10, die vor dem Massenmittelpunkt 40 des Flugkörpers liegt und mit einem dahinterliegenden Ruderaufbau 42, der vier bewegliche Flossen 44 aufweist, die am Schwanz des Flugkörpers angeordnet sind. Die Flossen sind so um den Flugkörper herum angeordnet, daß eine gemeinsame Betätigung zweier diametral gegenüberliegender Flossen eine Steuerung um die Hochachse bewirkt, während die beiden anderen diametral gegenüberliegenden Flossen bei gemeinsamer Betätigung eine Steuerung um die Querachse vornehmen. Eine differentielle Betätigung jeder Gruppe von Flossen bewirkt eine Steuerung um die Längsachse.
Fig. 7 veranschaulicht ein Navigationssystem für den Lenkflugkörper gemäß Fig. 6. Ein Autopilot 46 berechnet die Steuerbewegungen die erforderlich sind, um die gewünschten Kursänderungen durchzuführen und er steuert einen Servomotor 48, der seinerseits die Bewegung der Flossen 44 und auch die Bewegung der Antriebe der zugeordneten Schubeinheiten steuert. Es ist klar, daß jede Schubeinheit so betätigbar ist, daß ein Steuermoment aufgeprägt wird, welches gleich ist jenem, das durch Drehung der Flossen aufgeprägt wird, wenn der Flugkörper im Normalflug befindlich ist. Demgemäß ist die Steuerfunktion, die durch die Schubeinheiten 18' ausgeübt wird, analog jener, die durch die beweglichen Flossen 44' ausgeübt wird, und so weiter.
So kann durch Verbindung der Betätigungsorgane mit einem normalen Rudersteuerservosystem das Schubsteuersystem einen Schub liefern, der proportional zu den Ruderausschlägen ist, so daß die Steuerwirksamkeit der Ruder bzw. Flossen erhöht wird. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn der Flugkörper so langsam fliegt, daß die Ruder nicht wirksam werden können, beispielsweise beim Start oder wenn eine zusätzliche Steuerung erforderlich ist, z.B. bei einem Endanflugsmanöver. Wegen der Gleichartigkeit zwischen der Bewegungs/Schubcharakteristiken der Ruder und des Schubsteuersystems kann dieses Verfahren der Steuervergrößerung in einen Fllugkörper eingebaut werden, wobei der Autopilot nicht oder nur geringfügig zu verändern ist.
Da bei den Anordnungen gemäß Fig. 4 bis 7 die Größe des abgegebenen Schubes jeweils über einen großen kontinuierlichen Wertebereich eingestellt werden kann, läßt sich ein Pendeln des Flugkörpers vermeiden, das bei Schubvorrichtungen mit Zündladung oder gepulsten Schubvorrichtungen auftrat.
Das Schubgas kann ein kaltes Gas oder ein Heißgas sein, und das Speicherreservoir oder der Gasgenerator können in die Düseneinheiten integriert werden, um einen kompakten Steueraufbau vorzusehen. Das Schubgas kann jedoch auch vom Hauptraketenmotor des Flugkörpers abgezapft werden. Es können auch mehrere Schubaufbauten nach hinten geneigt angeordnet werden, um nicht nur eine seitliche Steuerung zu bewirken, sondern auch die Hauptquelle des Raketenvortriebs zu bilden.

Claims

1. Schubsteuersystem für ein Projektil mit einem Düsenaufbau, der ein Gehäuse (50) umfaßt, das einen Düsenauslaß (52) und eine Bohrung (58, 60) benachbart zu dem Auslaß (52) besitzt, wobei ein Kolben (56) in der Bohrung (58, 60) angeordnet und beweglich ist, um den Düsenauslaß zu öffnen oder zu schließen und mit Antriebsmitteln (68, 70, 72) zur Bewegung des Kolbens 15 (56),

dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (56) einen durchgehenden Kanal (64) aufweist, durch den der Druck an einem Ende des Kolbens (58) auf das andere Ende übertragen wird.

2. Rückstoßsteuersystem nach Anspruch 1, bei welchem der Antrieb ein kontinuierlich veränderbares Servoantriebssystem (80, 81, 82) aufweist.

3. Rückstoßsteuersystem nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welchem ein Positionssensor (81) dem Kolben (56) zugeordnet ist, um dessen Stellung festzustellen.

4. Rückstoßsteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem ein Druckwandler (66) dem Kolben (56) zugeordnet ist, um ein Drucksignal zu liefern, welches für die Stellung des Kolbens (56) repräsentativ ist.

5. Rückstoßsteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches zwei entgegengesetzt gerichtete Düsen aufweist, die derart angeordnet sind, daß im Betrieb der von einer Düse erzeugte Schub vergrößert wird, wenn der von der anderen Düse erzeugte Schub abnimmt.

6. Rückstoßsteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches vier Paare von Düsen im gleichen Winkelabstand um das Projektil herum aufweist, wobei das Rückstoßsteuersystem wirksam ist, um die Steuerung um wenigstens eine Achse, nämlich Querachse, Hochachse oder Längsachse des Projektils zu bewirken.

7. Projektil mit einem Rückstoßsteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

8. Projektil nach Anspruch 7, welches außerdem aerodynamische Steuerruder (44) aufweist, um eine Steuerung um wenigstens eine der Achsen, nämlich Längsachse, Querachse oder Hochachse zu bewirken, wobei ein Autopilot (46) einen Antrieb (48) aufweist, der eine Bewegung der aerodynamischen Steuerruder (44) bewirkt, um eine Steuerung in einem gegebenen Sinn aufzuprägen, wobei gleichzeitig eine Einstellung der Größe des Schubes bewirkt wird, der im Betrieb am Düsenauslaß (52) auftritt, um eine Steuerung im gleichen Sinne auszuüben.