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Elastisches glappleitwerk.
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Zusatz zu Patent 1 159 314 Die Erfindung bezieht sich auf ein elastisches
Klappleitwerk, insbesondere für Flugkörper mit einklappXaren Leitwerksflügeln, die
innerhalb eines den GeschQßkörper umschließenden zylindrischen Rohres in dem Raum
zwischen der eigenen Klappachse und der benachberten Klappachse, die der Geschoßachse
etwa parallel verlaufen, einklappbar sind und über die benachbarte Klappachse hinaus
eine der Krümmung des zylindrischen Rohres angepaßte Außenfläche haben, wobei die
gekrümmten Außenflächen aus elastisch biegsamemMaterial bestehen und in der Betriebsstellung
nach dem Ausklappen der starren ebenen Innenflächen diese als ebene Außenflächen
verlängern, nach Patent 1 159 314.
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Ein Leitwerk bezweckt, den damit ausgerüsteten flugkörper über die
gesamte Flugbahn in einer unveränderten relativen Lage zur jeweiligen flugbahntangente
zu halten. Die Wirksamkeit eines leitwerkes äußert sich in einem gewissen Ausmaß
in einer hohen oder in einer erhöhten Treffsicherheit des Flugkörpers, wenn ein
solcher ungelenkt verschossen wird. Besonders große Anforderungen an die Wirksamkeit
eines Leitwerks werden dann gestellt, wenn der Flugkörper zwecks großer Reichweite
bei hohen Xachzehlen verschossen werden soll. Die Wirksamkeit eines Leiteerkes sinkt
lt. "9erlikonsXaschenbuch" 1956, Seite 151, auf ein Drittel ab, wenn zan die Flugmachzahl
Ma von Ma = 1,5 auf Ma = 3,5 steigert. Hohe Fluggeschwindigkeiten
werden
gerade bei ballistischen Raketen notwendig, wenn man auf große Entfernungen schießen
will. Daher müssen derartige Raketen meist Leitwerke großer Spannweite haben, weil
nur damit Leitwerk genügender Stabilisierungswirkung verwirklicht werden können.
Wenn es gelingt, die Leitwerksspannweite npch über das durch das Hauptpatent erreichbare
Maß zu vergrößern, so ist damit zugleich der Vorteil verbunden, die achsiale Baulänge
bzw. die Flügeltiefe des Leitwerks und die Flugkörpeelänge kleiner wählen zu können
oder bei gleicher Flugkörperlänge die Nutzladung bzw. die reibstoffladung samt Brennkammer
verlängern zu können.
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Die Treffsicherheit, die sich in einem engen Trefferbild über eine
Serie von Schüssen äußert, ist aber nicht allein bedingt durch die Wirksamkeit eines
Leitwerk, sondern kann eine Reihe anderer dem Ballistiker geläufiger Ursachen haben,
von denen hier z.B. der Abgangsfehler der Waffe, die Zwischenballistik beim Anfangsast
der Flugbahn und die aerodynamischen Eigenschaften des Flugkörpers selbst, d.i.
Form, Schwerpunktslage usw. zu nennen sind. Zeigt somit eine neue Teitwerksausbildung
beim Vergleich von Treffbildergahissen auch nur eine Tendenz einer Verbesserung,
so kann dies bereits als Indiz für eine erzielte Verbesserung gewertet werden.
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Schießversuche mit dem Klappleitwerk nach dem Hauptpatent haben diese
positive Tendenz bewiesen, das das einzige bisher bekannt gewordene ebenflügelige
Klappleitwerk kleinsten Widerstandes und billigster Herstellung beschreibt0 Die
Versuche haben außerdem die Tatsache erhärtet, daß, wie von Schlichting und Truckenbrodt
in ihrem Standardwerk "Aerodynamik des Flugzeuges" 1967, Seite 196, theoretisch
erwiesen, der ebene Flügel den besten überschallflügel kleinsten Widerstandes darstellt.
Auch allerneueste Raketenentwicklungen verwenden dieses Leitwerk, vgl. "Zeitschrift
für Blugwissenschaften 24(1976),H.1, Seite 59, Bild 5. Die Versuche lassen
aber
erkennen, daß der harten Forderung, über eine Schußentfernung von oft mehr als 20
km ein Trefferbild von unter 20 Hektar Flächenausdehnung zu erreichen, noch überlagerte
Störeinflüsse entgegenstehen können, die relativ stark sind, aber nicht unbedingt
auf das Leitwerk zurückzuführen sein müssen. Sucht man Jedoch solche Störeinflüsse
im Bereich des Leitwerks und geht imSinne des Hauptpatentes davon aus, daß die Spannweitenvergrößerung
eines ebenflügeligen, dünnen Klappleitwerks nach den klassischen Theorien der Aerodynamik
möglichst große, eine genügende Leitwirkung erzielende Kräfte zeitigen muß, so ergibt
sich, daß mit dem wachsenden Abstand von der Geschoßachse auch Störkräfte mit dem
wachsenden Abstand zum Gesamtschwerpunkt des Flugkörpers wirksamer werden.
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Solche StOUkräfte können sich u.a. im ein Flattern der äußeren Kanten,
sowie der Anström bzw. Abströmkanten des Leitwerks umsetzen. Dabei ist ferner davon
ausgegangen, daß das schlagartige, möglichst gleichsinnige Ausklappen der einzelnen
teitwerksflügel mit den dem Fachmann geläufigen üblichen Anschlägen für den starren
Innenteil und den seinen Rückprall verhindernden Verriegelungen als mögliche Störquelle
vernachlässigbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Elappleitwerk
nach dem Hauptpatent ein Flattern der ebenen elastischen Außenflächen auch bei sehr
hohen Fluggeschwindigkeiten und weiter vergrößerter Spannweite z1 unterbinden, wobei
erkannt ist, daß ein solches Flattern nicht nur um eine Achse parallel zur Geschoßachse
sondern auch an den An- und Abströmkanten um eine etwa radial verlaufende Achse
möglich ist. Letteres kann die gesamte achsiale Erstreckung durchlaufen. Flatterfreie
von der Ebene abweichende Teile der Außenflächen sollen in zulässigen engen Grenzen
liegen.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Außenflächen
aus
zwei oder mehreren Blechen geschichtet sind, deren gleiche oder unterschiedliche
radialen Längen bzw. deren Zahl und Stärke so bemessen sind, daß sie den in der
Flugbahn auf das teitwerk wirkenden Kräften Rechnung tragen una geringste, zulässige
Abweichungen der elastischen Biegungslinie von der gewünschten radialen Ebene zeitigen.
Die Bleche geringerer radialer Länge können entweder beiderseits oder auf Jener
Seite des Bleches größter radialer länge angeordnet sein, die den in der Flugbahn
auftretenden quer zur Geschoßachse wirkenden Kräften Q, beispielsweise auch infolge
des Geschoßdralls, abgewendet ist. Mit dieser Maßnahme ist eine erhebliche Versteifung
der Außenflächen gegen unerwünschtes Verbiegen der Außenflächen, u.a. auch gegen
Jedes Flattern, erzielt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die elastischen Bleche
vor dem Einbau, beispielsweise durch Kaltwalzen, mit eines bleibenden Krümmung versehen
sein, die als Vorspannung gegenüber quer zur Geschoßachse im Fluge auftretenden
Kräften, u.a. auch durch Drehbewegung erzeugten, Rechnung trägt, wobei diede Kriimmung
beim Einbau dem den Geschoßkörper umschließenden Rohr gleichsinnig angepaßt ist.
Plugkörper der beschriebenen Art haben e,B, Drehgeschwindigketnen bis etwa 500 Umdrehungen
Je Minute, die entsprechEnde quer zur Geschoßachse auf die Leitwerksflügel wirkende
Kräfte zeitigen können. Ein von vornherein radial ausgerichteter Leitwerksflügel
wird an seinen Außenflächen von einer Drehung zwar zusätzlich radial auagerichtet,
unterschiedliche längen des radialen Biegearms lassen aber eine Verbiegung in Richtung
der Drehbewegung zeitweise möglich erscheinen. Entspricht diese zu erwartende Biegelast
durch Luftströmung und Drehbewegung der durch Vorkrümmung einstellbaren Vorspannung,
so wird sich die Außenfläche im Fluge unter der Wirkung der Drehung radial nach
außen ausrichrten,
Mindestens eines der Bleche soll in radialer
Längserstrekkung und/oder in achsialer Erstreckung variable, vorzugsweise abnehmende
Dicke aufweisen. Mit einer solchen Maßnahme in radialer Richting läßt sich u.a.
auch das Prinzip einesTrägers gleicher Festigkeit sowohl für den Übergang vom Innenteil,
als auch für die gesamte radiale Länge des Außenteils nahezu kontinuierlich erreichen.
Bei der achsialen Erstreckung dagegen eröffnet diese Maßnahme u.a. auch eine Verstärkung
der An- und Abströmkante der Außenfläche. Legt man dagegen ein im Zuge der achsialen
Erstreckung der Bleche liegende Maximum an Blechstärke näher zur Anströmkante, so
läßt sich in Ausnutzung der unvermeidlichen Abweichung von der idealen Ebene eine
Verwindung der Außenfläche erzielen, wodurch die Steifigkeit erhöht und auch die
Anpassung an eine nach der Lehre der Strömungstechnik günstige Form ermöglicht wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung läßt sich ein relatives Flattern
der einzelnen Bleche zueinander dadurch verhindern, daß die einzelnen Bleche einer
entsprechenden Dauermagnetisierung unterzogen werden und dadurch im eingebauten
Zustand aneinander haften.
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Die beschriebenen Flugkörper gelangen in hohen Stückzahlen u.a. zur
Panzerbekämpfung zum Einsatz. Es sind sowohl Unterschiede in den Materialeigenschaften
der verwendeten Werkstoffe als auch Unterschiede in Fluggeschwindigkeit, Drehung
und Kaliber zu erwarten. Für Zwecke einer experimentellen baukastenartigen Zusammenstellung
von Leitwerken aus entsprechend gestuften Vorräten und für Zwecke der Abnahmekontrolle
wird daher eine Versuchseinrichtung zur Prüfung der Einstellung der Außenfläche
in eine radiale Ebene unter dynamischen Bedingungen vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet
ist, daß die Bleche eines entfalteten Leitwerks in
mehrere Streifen
achsialer Erstreckung markiert sind und fest verbunden mit einer Kontrollkamera
mit Drallumdrehungsgeschwindigkeit in einem Windkanal um die Geschoßachse rotieren,
wobei der Luftstrom des Windkanals in Geschoßachsenrichtung eine der mittleren Flugbahngeschwindigkeit
des Flugkörpers entsprechende Geschwindigkeitskomponente hat. Während die Markierung
in Streifen die Auswahl der richtigen geschichteten Bleche in Stärke und Längenerstreckung
zu kontrollieren gestattet, kann für die Abnahme großer Stückzahlen eine Fernsehkamera
als Kamera gegen eine entsprechende Stric8gatte gerichtet werden, um sowohl die
richtige radiale und ebene Erstreckung der Außenflächen nachzuweisen als auch die
Wirkung der in der Praxis bei Seitenwind in gleicher Art zu erwartenden Anströmung
mit einer Querkomponente des Luftstroms zu erkennen. Zulässige Abweichungen a und
b von der gewünschten radialen ebenen Erstreckung lassen sich so in einfacher Weise
experimentell ermitteln.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der anliegenden Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen: Fig.i eine der Fig 1 nach dem Hauptpatent entsprechende
Seitenansicht, Fig.2 eine Außenfläche mit beiderseits geschichteten Blechen kürzerer
Länge, Fig.3 wie Fig.2, jedoch mit einseitig geschichteten Blechen kürzerer achsialer
Länge und Querkraft Q, Fig.4 Außenrand der Außenfläche in Draufsicht mit in achsialer
Richtung fallender Wandstärke und zulässiger Abweichung a, Fig.5 Aufs rand wie nach
Fig.4 mit Abweichungen b an der Ans öm- und Abströmkante.
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Wie beim Hauptpatentklappleitwerk klappen mehrere, vorzugsweise vier
Leitwerksflügel beim Abschuß aus der innerhalb des den Geschoßkörper umschließenden
Rohres 4 eingerollten Stellung am Beginn der Flugbahn in eine radiale Stellung aus,
in der die
äußerste Kante des elastischen Bleches 2a größter radialer
Länge den weitest möglichen Abstand von der Geschoßachse S erreicht. In dieser radialen
Stellung verriegelt die starre ebene Innenfläche 3 Jedes Leitwerksflügels selbsttätig.
Die üblichen, meist federbetätigten Mittel für diese Verriegelung sind hier nicht
beschriebein. In weiterer Ausgestaltung der elastisch biegsamen Außenflächen 2 nach
dem Hauptpatent bestehen diese Außenflächen aus zwei oder mehreren geschichteten
Blechen 2a - 2c unterschiedlicher radialer Länge. Die Zahl und die Stärke dieser
Bleche 2a bis 2c ist so bemessen, daß ihre Biegefestigkeit bzw. Biegesteifigkeit
den in der Flugbahn auf das Leitwerk wirkenden Kräften in dem Sinne RechnunWträgt,
daß nur innerhalb einer zulässigen Toleranz liegende Abweichungen von der gewünschten
radialen Ebene auftreten. Während bei einem drallfreien Flugkörper vor allem die
Anströmkante 6 und die Abströmkante 7 im Luftstrom von Querkräften beaufschigt werden,
die zu einem Flattern führen können, wirken bei mit Drall beaufschlagten Flugkörpern
auch noch Querkräfte Q entgegen Drallrichtung, die zu einer Abweichung von der gewünschten
radialen Ebene und zum Flattern führen können. Bei drßllfreien Blugkörpern wird
man zweckmäßig die Bleche 2b - c geringerer radialer Länge beiderseits des Bleches
2a größter radialer Länge anordnen. Bei Flugkörpern mit Geschoßdrall wird man die
Bleche 2b-c geringerer radialer Länge dagegen auf jener Seite des Bleches 2a größter
radialer Länge anordnen, die den in der Flugbahn auftretenden quer zur Geschoßachse
wirkenden Kräften Q abgewendet ist. Die Elastizität der Bleche wird in der Regel
ausreichen, durch die Schichtung, einem Träger gleicher Festigkeit ähnlich, die
Bleche mit geringen Toleranzen in der radialen Ebene durch die Geschoßachse zu halten.
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Bei starken Querkräften kann es zweckmäßig sein, die elasti--schen
Bleche 2a-c vor dem Einbau, beispielsweise durch Kaltwalzen, mit einer bleibenden
Krümmung als Vorspannung gegenüber den zu erwartenden Querkräften zu versehen, die
so bemessen ist, daß sich die Bleche unter der Wirkung dieser Querkräftein der Flugbahn
in \elastis,ch die radiale Ebene zu verformten. Diese Krümmung ist so angeordnet,
daß sie sich beim Einbau dem den Geschoßkörper umschließenden Rohr 4 gleichsinnig
anpaßt.
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Stellt man bei Kontrollen im Windkanal örtliches Flattern an bestimmten
Stellen der Leitwerksbleche fest, wobei sich echte Flugbahnbedingungen mit Querwind
oder Drall reproduzieren lassen, so kann man mindestens eines der Bleche 2a-c in
radialer engen erstreckung und/oder achsialer Erstreckung mit variabler, vorzugsweise
mit abnehmender Dicke ausbilden. In Verbindung mit der bereits beschriebenen vorspannenden
Krümmung läßt sich dann rechnerisch oder experimentell allen auftretenden Störeinflüssen,
die ein Abweichen von der gewünschten radialen Ebene zeitigen, durch angepaßte Dimensionierung
der geschichteten Bleche Rechnung tragen.
| So kann z.B. be abnehmender |
| l |
| achsialer Erstreckung die |
Dicke der, oder eines der Bleche 2a-c in Flugrichtung gelegene Anströmkante 6 die
Jeweils größte Dicke aufweisen. Diese Anströmkante 6 ist einem Flattern besonders
ausgesetzt. Man kann aber auch ein im Zuge der achsialen Erstreckung der Bleche
2a-c, oder eines dieser Bleche, liegendes Maximum an Blechstärke näher zur Anströmkante
6 als zur Abströmkante 7 legen und so unter der Wirkung von auftretenden Querkräften
Q erreichen, daß sich die Abweichungen a,b von der radialen Ebene etwa wie in Fig.4
oder 5 dargestellt verteilen und die Bleche 2a-c auf diese Weise gegen Flattern
versteifen. Die Abweichungen a und b, die in übertriebenem Maßstab dargestellt sind,
können durch diese Maßnahmen in zulässigen Grenzen gehalten
werden.
Bei richtiger Anordnung kann sich die aerodynamische Auswirkung der Abweichungen
a,b im Luftstrom, im Gegensatz zu einem schädlichen Flattern mit gleichen Abweichungswerten
von der gewünschten Ebene, günstig für die Wirksamkeit des Leitwerkes auswirken.
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Ein anderen Mittel, dieeinzelnen Bleche 2a-c der geschichteten Außenflächen
2 haftend zu halten, ist, die einzelnen Bleche einer entsprechenden Dauermagnetisierung
zu unterziehen. Eine derartige Dauermagnetisisrung läßt sich bei derartigen hochelastischen
Stahlblechen meist leicht erreichen.
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Für die Kontrolle oder die Abnahme von erfindungsgemäßen Leitwerken
unter dynamischen Flugbahnbedingungen eigegt sich eine Versuchseinrichtung in einem
Windkanal, bei der der Flugkörper mit reiner Kontrollkamera fest verbunden ist und
mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit rotiert, die dem Drall entgpricht. Der Luftstrom
soll dabei in Geschoßachsenrichtung eine der mittleren Flugbahn geschwindigkeit
des Flugkörpers entsprechende Geschwindigkeitskom ponente haben. Die Bleche 2a-c
eines unter Flugbedingungen entfalteten Leitwerks lassen sich dann durch Vergleicehrerer
in radialer oder achsialer Erstreckung markierter Streifen mit einer Strichplatte
an der Kamera, beispielsweise einer Fernsehkamera, exakt vermessen. Abweichungen
von der gewünschten radialen Ebene wissen sich durch Abändderungen an den Blechen
2a-c in Zahl, Dicke und Dickenveteilung korrigieren.
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Die Figuren 4 und 5 zeigen schematisch aus Blechen geschichtete Außenflächen
2 auf der starren ebenen Innenfläche 3 mit übertrieben gezeichneten, bewußt an bestimmten
Stellen verursachten sulSasigen Abweichungen a,b von der gewünschten radialen ibene,die
sich unter der Wirkung der Querkräfte in angenähert ebene Lage zurückbilden. Die
achsiale-Lage des Maximums der Blechstärke
mindestens eines der
Bleche 2a-c der Außenfläche 2 fällt Jeweils mit der größten zulässigen Abweichung
a von der radialen Ebene zusammen. Die Abweichungen b an der Anströmkante 6 bzwO
an der Abströmkante 7 sind Jeweils gleich oder kleiner als die größte zulässige
Abweichung a. Dadurch kann erreicht werden, daß die auf der Seite der größten zulässigen
Abweichung einwirkenden Querkrätte Q versteifend wirken, bzw. einem Flattern entgegengewirkt
ist, andrerseits die unvermeidlichen zulässigen Abweichungen aerodynamisch günstiger
wirken, als ein Flattern der angest8rbteX exakt radialen Erstreckung im selben Ausmaß.
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Die geschichtete elastische Außenfläche nach der Erfindung läßt sich
aber auch dort verwenden, wo durch die beschriebenen Dickenunterschiede an den einzelnen
Blechen 2a-c, abweichend von einer Ebene, aerodynamisch günstige Flächen geformt
werden sollen, die vor dem Abschuß in ein umschließendes zylindrisches Rohr eingerollt
werden.
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L e e r s e i t e