DE10232441A1

DE10232441A1 - Ventilierter Flugkörper

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Publication number: DE10232441A1
Application number: DE2002132441
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2004-02-19

Abstract

Die Erfindung des ventilierten Flugkörpers mit axialen Ventilationskanälen löst das Problem des hohen Luftwiderstandes und der strömungsbedingten Instabilitäten und Fluggeräusche von relativ stumpfen Flugkörpern durch Verbindungskanäle von der Stauzone an der Frontseite zur Totwasserzone an der Rückseite des Flugkörpers. Die Verbindungskanäle werden durch die Druckdifferenz zwischen Vorder- und Rückseite automatisch durchströmt, so daß der Totwasserdruck steigt und der Nachlauf durch die Strahlwirkung des austretenden Ventilationsstromes beruhigt und geordnet wird. Zusätzlich werden die Kanäle zur Steuerung des Flugkörpers eingesetzt. Mit der Erfindung der Ventilation von Flugkörpern werden erhebliche Verbesserungen der Reichweite, der Zielgenauigkeit, der Bahnstabilität, der Geräuscharmut und der Steuerungsmöglichkeiten erreicht. Fig. 1 zeigt eine typische Ausführung im Schnitt 1 mit Ventilationskanal 2, Eintrittsdüse 5, Endquerschnitt 3 und Austrittsöffnung 4.

Description

Die Erfindung des ventilierten Flugkörpers betrifft das Gebiet der freifliegenden atmosphärischen Flugkörper insbesondere aus dem waffentechnischen und militärischen Anwendungsbereich.
Aus der Literatur ist bekannt, daß mit Hilfe von Steuerflächen, aerodynamischer Formgebung und Transitionshilfen der Widerstand und die Flugstabilität von Flugkörpern , wie Geschossen, Granaten, Raketen und anderen stumpfen Körpern verbessert werden kann. Außerdem ist durch wissenschaftliche Untersuchungen der letzten Jahre erforscht worden, daß der Widerstand von Kugelmodellen und Kugelzylindern durch zentrale Ventilationsbohrungen vermindert werden kann (Suryanarayana et al.; Mei Lu).
Nachteilig ist bei den erstgenannten Verfahrensweisen bei Flugkörpern, daß stumpfe Formen durch solche Maßnahmen nur begrenzt verbessert werden können und zusätzliche Elemente den hohen Beschleunigungen und Luftkräften oft nicht gewachsen sind, und darüber hinaus noch zusätzlichen Widerstand erzeugen. Bei einfachen Flugkörpern wie Geschossen aus Handfeuerwaffen und Gewehren, wie auch bei Granaten sind stumpfe Heckformen üblich und es wird oft für bestimmte Verwendungen zu stumpfen Nasen gegriffen, die beide erhebliche Nachteile, wie zusätzlichen Luftwiderstand und Instabilität, mit sich bringen. Zur Lagestabilisierung und Kompensation der Instabilitäten wird eine starke Drallbewegung eingeleitet. Wegen der Instabilität der Kreiselbewegung um die Achse kleinsten Trägheitsmomentes ist auch diese Maßnahme fragwürdig.
Mit der in dem Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung der Ventilation von Flugkörpern werden deren Flugeigenschaften in verschiedener Hinsicht entscheidend verbessert. Gestützt auf die an einer ventilierten Kugel im Windkanal und Wasserkanal gewonnenen Erkenntnisse (Suryanarayana et al., Mei Lu) sind bei Flugkörpern jeglicher Art erhebliche Verbesserungen der Reichweite, der Flugstabilität und der Zielgenauigkeit möglich. Der Luftwiderstand wird durch Verminderung des sogenannten, Druckwiderstandes und des Formwiderstandes je nach Form des Flugkörpers und der gewählten Ventilation typisch um bis zu 50% vermindert. Durch die Ventilation wird daher die Reichweite wesentlich erhöht, ohne daß sich an der äußeren Form und an der Masse viel ändert. Die durch Nachlaufinstabilitäten erzeugten Schwingungen nehmen ab wodurch die Bahnstabilität erhöht wird. Außerdem wird die aeroakustische Geräuscherzeugung stark reduziert.
Die in den Patentansprüchen 1 bis 13 angegebene Erfindung löst das Problem des hohen Widerstandes und der strömungsbedingten Instabilitäten und Geräusche von relativ stumpfen Flugkörpern 1 durch Verbindungskanäle 2 von der Stauzone 5 an der Frontseite zur Totwasserzone 4 an der Rückseite des Flugkörpers. Die Verbindungskanäle werden durch die Druckdifferenz automatisch von vorn nach hinten durchströmt, so daß der Totwasserdruck steigt und der Nachlauf durch die Strahlwirkung des austretenden Ventilationsstromes beruhigt und geordnet wird.
Typische We rte des Querschnittsverhältnisses q = V/F von Ventilationsöffnung V zu Flugkörperquerschnitt F liegen dabei im Bereich 0,01 < q < 0,2. Die starke Wirkung der Ventilation zeigt sich besonders an diesen kleinen Werten. Bei Überschallflugkörpern (s. 3 und 4) und in besonderen Fällen können die Werte von q ohne Nachteil auch größer sein.
Durch den Ventilationskanal 2 wird zwar die beströmte Oberfläche des Flugkörpers bei festgehaltener Grundform 1 oder Masse vergrößert, so daß die Wandreibung durch die vergrößerte Oberfläche zunimmt. Die Verminderung des Druckwiderstandes und des Formwiderstandes übersteigt jedoch bei mittleren Reynoldszahlen (5 × 10exp5) in den meisten Fällen diesen negativen Einfluss beträchtlich. Die Widerstandsverminderung kann dann 50% und mehr erreichen. Bei höheren Re-Zahlen (Re > 10exp6) ändern sich die Abströmverhältnisse und die Widerstandsverminderung erreicht nicht mehr ganz so hohe Werte. Bei Schräganströmung steigt die Widerstandverminderung durch Ventilation meist an. Außerdem tritt bei kurzen Flugkörpern noch eine Bahnstabilisierung durch ein negatives Nickmoment auf.
Eine außerordentlich wichtige Wirkung der Ventilation von Flugkörpern besteht in der Beruhigung der Nachlaufströmung, die zu einer Stabilisierung der Flugbahn und einer Verminderung der Geräuscherzeugung führt. Diese Wirkung kann wie die Widerstandsverminderung durch eine Unterteilung oder ringspaltartige Form der austretenden Ventilationsströmung noch weiter gesteigert werden (s. 2).
Nach den Erfordernissen der Fluggeschwindigkeit und der Abmessungen des Flugkörpers (Machzahl und Reynoldszahl) aber auch nach dem vertretbaren Aufwand werden die Kanäle 2 schlicht zylindrisch als einfache Bohrungen oder konturiert oder unterteilt oder ringspaltförmig ausgeführt. In jedem Fall ist bei Unterschallgeschwindigkeit an der Vorderkante der Kanäle eine Abrundung und ein geringer Einzug der Kanäle 5 zweckmäßig.
Bei Überschallgeschwindigkeit ergibt sich nach Patentanspruch 6 zusätzlich die Möglichkeit durch die Ventilation einen Teil des Wellenwiderstandes zu eliminieren. Dazu wird der Außenmantel des Flugkörpers im wesentlichen zylindrisch ausgeführt, so daß ein Großteil der Verdrängungsströmung durch den Ventilationskanal stattfindet. Hier kann sogar eine relativ scharfe Vorderkante zweckmäßig sein. Der Ventilationskanal wird hier vorzugsweise in konischen Segmenten ausgeführt, um starke Verdichtungsstöße zu vermeiden (s. 3 und 4).
Die Anwendungsbereiche für ventilierte Flugkörper sind hauptsächlich Geschosse, Granaten, Raketen und andere stumpfe Körper. Da der Bereich der erheblichen Widerstandsverminderung bei Reynoldszahlen über einer halben Million beginnt, sind die Flugkörper dementsprechend einzuordnen.

1. Die stumpfen Geschosse aus Faustfeuerwaffen, wie etwa nach 1 und 7 geformt, haben einen Re-Zahl-Bereich von 2 ××10exp5 < Re < 5 × 10exp5 und lassen eine Widerstandsverminderung durch Ventilation von etwa 50% zu. Im Bereich der kleineren Werte der Re-Zahl ist dies nur erreichbar, wenn es gelingt durch Transitionshilfen 15 wie Kerben oder Wandrauhigkeiten die Außengrenzschicht umschlagen zu lassen.
2. Geschosse aus Gewehren haben einen Bereich der Reynoldszahlen 3 × 10exp5 < Re < 1 × 10exp6. Hier ist eine Widerstandsverminderung nach der bisherigen Erfahrung besonders leicht zu realisieren und erreicht Werte von bis zu 50% je nach Form und Machzahl.
3. Hochgeschwindigkeitsgeschosse aus Gewehren und kleinkalibrigen Kanonen haben einen Reynoldszahlbereich 1 × 10exp6 < Re < 4 × 10exp6. Bei diesen Geschossen ist wegen der hohen Machzahlen 2 < Ma < 6 eine besondere Formgebung mit glattem Außenzylinder wie etwa in 3 zweckmäßig. Die erzielbare Widerstandsverminderung nimmt hier stark mit dem Querschnittswert q der Ventilation zu.
4. Granaten und Bomben haben typische Re-Zahlen im Bereich 2 × 10exp6 < Re < 6 × 10exp6 wobei Widerstandsverminderungen von 30% erreichbar sind.
5. Kugelförmige und stumpfe Munition für Luftgewehre lässt bei typischen Re-Zahlen von 3 × 10exp4 < Re < 5 × 10exp4 eine größere Widerstandsverminderung nur zu, wenn durch Transitionshilfen 15 oder die Formgebung (8) die Außenströmung turbulent gemacht wird, da bei laminarer, vorzeitiger Grenzschichtablösung die Ventilation wenig wirksam ist.
6. Raketen haben im allgemeinen ohnehin eine rückwärtige Auslassöffnung für den Antriebsstrahl, so daß sich hier die Ventilation für die antriebsfreie Phase des Fluges leicht realisieren lässt. Besonders bei Feststoffraketen ist nach Abbrand des Treibstoffes ein Ventilationskanal im Inneren automatisch frei, so daß eine Umschaltung zwischen beiden Flugphasen automatisch erfolgen kann. Die Re-Zahlen sind bei diesen Flugkörpern je nach Größe und Geschwindigkeit in einem weiten Bereich von 10exp6 < Re < 10exp7 angesiedelt, so dass hier auch wegen des weiten Machzahlbereiches von 0,5 < Ma < 8 unterschiedliche Konfigurationen nach 6 oder 4 zweckmäßig sind.

Für Zwecke der Steuerung können nach 9 und 10 in der Nähe des Endquerschnittes 4 kreuzförmig angeordnete Strahlumlenker 18 angebracht werden, die durch seitliche Achslagerung beweglich sind. Damit ist es möglich dem austretenden Ventilationsstrahl eine gegen die Flugkörperachse geneigte Richtung zu geben, die zu einer gekrümmten Bahn und Lenkbarkeit des Flugkörpers führt. Die Strahlsteuerung kann aber auch durch kleine Klappen oder Spoiler an den Kanalwänden erreicht werden.
Die Ausführung mit einem sternförmigen Einsatz (s. 10) oder einer Anzahl kleinerer Öffnungen im Endquerschnitt 4 haben überdies den Vorteil, dass Antriebsdruckkräfte mittels einer dünnen Übertragungsplatte 14 besser auf den Endquerschnitt des Flugkörpers verteilt werden können. Große Öffnungen können eine dickere Übertragungsplatte 14 (Dichtungsplatte) erforderlich machen. Eine besondere Variante der Abdichtung der Ventilationsbohrungen in der Antriebsphase besteht darin, den Ventilationskanal ganz oder teilweise mit einem brennbaren Material 9 zu verschließen, welches durch den Antriebsschwaden gezündet wird. Damit kann zugleich zusätzlicher Antrieb oder auch eine Leuchtspur erzeugt werden.
Die Ventilationsbohrung hat bei vielen Geschossen überdies die erwünschte Nebenwirkung, dass sich die Geschosse bei Aufprall in kontrollierter Weise verformen oder zerlegen. Dies kann durch eine entsprechende Strukturierung des Geschosskörpers 1 noch unterstützt werden. Schon jetzt weisen bestimmte Geschosse von Handfeuerwaffen zentrale Sacklöcher an der Spitze auf, die lediglich dem Zweck der kontrollierten Verformung oder Zerlegung dienen, in der aerodynamischen und aeroakustischen Wirkung jedoch eher nachteilig sind.
Einige Ausführungsbeispiele sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, auf die sich auch die Ziffern im obigen Text beziehen.
1 zeigt einen Schnitt 1 und die Rückseite 3 eines beliebigen, typischen, rotationssymmetrischen Flugkörpers, wobei hier hauptsächlich an eine Pistolenkugel zu denken wäre. Der Körper 1 ist hier von einem zylindrischen Kanal 2 durchzogen, der an einer aerodynamisch günstig geformten Einlaufdüse 5 beginnt und mit einer glatten Austrittsöffnung 4 endet. Das Querschnittsverhältnis q ist im gezeigten Beispiel etwa q = 0,07.
2 stellt einen Flugkörper- im Schnitt dar, bei dem sich ein Eintritt 5 in verschiedene Ventilationskanäle 2 aufteilt. Die Austrittsöffnungen 4 können im Endquerschnitt 3 statistisch verstreut, regelmäßig oder auf einem Kreis angeordnet sein. Auch könnte der Kanal 2 einen Ringspalt mit einem entsprechenden Austritt bei 3 bilden
3 zeigt den Schnitt 1 durch eine Ausführung, welche sich für Überschallflugkörper anbietet. Hier wird der Eintrittskanal 5 und der Austrittskanal 6 von konischen Segmenten gebildet. Eine engste Stelle 6 definiert die Kompression der Überschalleinströmung. Der Ventilationskanal hat hier einen relativ großen Querschnitt, weil so die Außenströmung verlustarm bleibt. Die Form insgesamt wird für unterschiedliche Machzahlbereiche angepaßt.
4 zeigt einen Schnitt 1 durch einen für Überschall gedachten Flugkörper, bei dem zugunsten eines engeren Kanals 2 und eines kleineren Querschnittsverhältnisses q der Frontquerschnitt 7 und der Endquerschnitt 8 keilförmig eingeschnitten sind, um die Überschallströmung verlustarm um die Außenkontur zu führen. Die Einschnitte können zusätzlich zur Bahnstabilisierung dienen.
5 zeigt einen Schnitt 1 durch eine granatenähnliche Form, bei welcher der Ventilationskanal 2 mit einer festen, brennbaren Füllung 9 verschlossen ist, die in der Antriebphase der Kartusche 11 den Kanal abdichtet und später nach Zündung durch den Schwaden 10 den Kanal nach Abwerfen einer eventuell vorhandenen Spitze 12 freigibt.
6 stellt im Schnitt 1 eine Feststoffrakete dar, bei der nach Abbrand der Füllung 9 und Abwurf der Spitze 12 ein Ventilationskanal 2 entsteht, der hier in einer Düse endet.
7 zeigt einen üblichen relativ stumpfen Flugkörper im Schnitt 1, bei dem zum Gebrauch bei kleinen Reynoldszahlen ein Rille 15 als Transitionshilfe vorgesehen ist. Die in den Endquerschnitt des Flugkörpers einsetzbare Übertragungslatte 14 mit einer Zentrierhilfe dient der Abdichtung in der Antriebsphase. Auch hier können Rillen 16 als Labyrinthdichtungen eingebracht werden. Die Platte 14 wird bei Enden des Antriebsdruckes durch den Staudruck automatisch vom Flugkörper getrennt.
8 zeigt einen Schnitt 1 durch eine Flugkörperform wie sie bei Luftgewehren im Gebrauch ist. Hier ist die Ventilation selbst bei den sehr kleinen Reynoldszahlen solcher Geschosse sinnvoll, weil durch die Außenform die Außenströmung sicher turbulent ist und der hohe Luftwiderstand durch einen hier konischen Kanal 2 mit einem engsten Querschnitt 6 nahe der gerundeten Eintrittsöffnung 5 reduziert werden kann. Die Abdichtung 14 kann als separates Element vorgesehen sein.
9 zeigt eine Querschnittsform 1 wie sie bei Bomben und Granatwerfermunition üblich ist. Hier ist am Ende des Ventilationskanals 2 eine Steuerklappe 18 eingesetzt, welche die meist passiven Leitwerke 13 entbehrlich macht und überdies eine Steuerungsmöglichkeit eröffnet.
10 zeigt eine Ausführungsform im Schnitt 1, bei der mehrere Ventilationskanäle separat durch den Flugkörper geführt sind. Dies kann in Fällen, bei denen ein zentraler Kanal nicht eingesetzt werden kann, eine Alternative sein. Die Kanäle 2 können aber auch hier durch Durchflussregelung zu Steuerungszwecken eingesetzt werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, daß mit der Erfindung der Ventilation von Flugkörpern erhebliche Verbesserungen der Reichweite, der Zielgenauigkeit, der Bahnstabilität, der Geräuscharmut und der Steuerungsmöglichkeiten erreicht werden. Diese Verbesserungen entstehen durch eine an kugelförmigen Modellen nachgewiesene Widerstandsverminderung und Strömungsbeeinflussung mittels der Ventilationsströmung durch die Ventilationskanäle.
Literatur
Suryanarayana, G.K.; Pauer, H.; Meier, G.E.A.: Passiv control of the wake of a sphere by ventilation. Proc. IUTAM Conf. on Bluff-Body Wakes, Dynamics and Instabilities. Springer-Verlag, 1992, pp. 91–94
Mei Lu: Widerstandsverminderung durch Ventilation stumpfer Körper bei höheren Reynoldszahlen. DLR-Forschungsbericht 2001-28, 2001,

Claims

Flugkörper, wie Geschosse, Granaten, Raketen und andere stumpfe Flugkörper dadurch gekennzeichnet, daß sie einen oder mehrere, im wesentlichen axiale Kanäle 2 oder auch Bohrungen 2 von der stromauf gelegenen Vorderseite zur stromab gelegenen Rückseite aufweisen, wodurch beim Flug eine Ventilation mittels Durchströmung von den vorderen Gebieten hohen Druckes 5 zu den rückwärtigen Gebieten niedrigeren Druckes 4 erfolgt, die den Luftwiderstand und die Vibrationen der Flugkörper in der Flugphase mindert und die Reichweite und die Treffsicherheit erhöht.
Flugkörper nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilationskanal 2 durch eine im wesentlichen axiale Verbindung zwischen dem vorderen Staubereich und dem hinteren Totwassergebiet mit einer Querschnittsfläche von etwa zwei bis zwanzig Prozent des Flugkörperquerschnitts gebildet wird.
Flugkörper nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilationskanal 2 jeweils der Art des Flugkörpers, der vorgesehenen Flugkörpergeschwindigkeit, der Flughöhe und der Flugkörpergröße in Form und Durchmesser angepasst ist, so daß Druckerhöhung und Strahlwirkung im Nachlauf optimal sind.
Flugkörper nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilationskanal 2 konisch ausgeführt wird, insbesondere am Anfang oder Ende eine düsenförmige Verengung oder Erweiterung aufweist und bei Überschallflugkörpern konvergente und divergente Kanalabschnitte aufeinander folgen.
Flugkörper nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die rückwärtige Öffnung 4 des Ventilationskanals 2 durch eine Abdeckung 14 während der Antriebsphase des Flugkörpers abgeschlossen ist, so daß die Antriebsgase nicht durch den Ventilationskanal entweichen können.
Flugkörper nach Patentanspruch 1 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung der hier vorzugsweise divergenten Ventilationskanäle 2 während der Antriebsphase durch einen festen Brennstoff 9 erfolgt, welcher durch die Treibgase gezündet wird und nach Verbrauch den Ventilationskanal automatisch freigibt und überdies einen zusätzlichen Antrieb oder eine Leuchtspur erzeugt.
Flugkörper nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilationskanäle 2 Steuerungselemente 18 enthalten, welche die Ventilationsströmung durch Drosselung oder Umlenkung und damit die Führungskräfte über eine Richtungsänderung des Austrittsstrahles beeinflussen.
Flugkörper nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, das die Einläufe 5 der Ventilationskanäle strömungsgünstig gerundet sind und einen Einzug aufweisen, so daß in Verbindung mit der äußeren Nasenform die Einströmung in den Ventilationskanal optimal ist.
Flugkörper nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Ventilationskanälen 2 die Auslässe 4 auf der Rückseite 3 des Flugkörpers entsprechend der besten Wirkung auf den Nachlauf abweichend vom Zentrum auf einem Kreis oder auch gestreut angeordnet sind.
Flugkörper nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei selbstangetriebenen Flugkörpern, wie Feststoff-Raketen, die durch Abbrand des Brennstoffes 9 freiwerdenden Räume als Ventilationskanäle 2 genutzt werden.
Flugkörper nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilationskanäle Hilfsaggregate wie zum Beispiel Turbinen enthalten.
Flugkörper nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilationskanäle 2 strukturiert sind und in Kammern und Verzweigungen unterschiedliche Hilfseinrichtungen und Meßinstrumente enthalten.
Flugkörper nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilationskanäle 2 für Transport und Lagerung durch Verschlußstopfen, die insbesondere bei Gebrauch automatisch abgeworfen werden, verschlossen sind.