DE69910041T2 - Kompaktes, veränderliches schubrohr zur steuerung von flugkörpern - Google Patents
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Description
- Gebiet der Erfindung
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die in gesteuerte Weise einen veränderlichen seitlichen Schub zur Steuerung von Raumfahrzeugen, beispielsweise Raketen, Launchern oder auch Satelliten, bereitstellen kann, wobei von dem Antriebsprinzip durch Gasrückstoß oder Gasausstoß Gebrauch gemacht wird.
- Technischer Hintergrund der Erfindung
- Das Prinzip der Steuerung eines Raumfahrzeugs mit Vorrichtungen, die einen veränderbaren seitlichen Schub erzeugen, d. h. einen Schub rechtwinklig zur Achse des Fahrzeugs, damit das Fahrzeug einer Soll-Bewegungsbahn folgt (Zwangssteuerung), oder um die Lage des Fahrzeugs zu korrigieren (Augenblickssteuerung), ist bereits bekannt. Jede Vorrichtung zum Erzeugen eines veränderlichen Schubs enthält üblicherweise ein Ventil, welches von einem Gasgenerator gespeist und von einem Aktuator gesteuert wird, wobei letzterer selbst von einem Bordrechner über elektrische Signale gesteuert wird.
- Bei axialsymmetrischen Ventilen ist es üblich, eine bewegliche Düsennadel zu verwenden, deren durch einen Proportionalaktuator gesteuerte Lage im Gas-Abstrom den Durchtrittsquerschnitt für das Gas festlegt, welches von einer Düse fester Divergenz ausgestoßen wird und mithin die Schubstärke festlegt, entsprechend dem Prinzip des Antriebs durch Rückstoß.
- Bei klassischen Antriebssystemen mit beweglicher Düsennadel wird ein beträchtlicher Anteil des Schubs von der divergierenden Wand aufgenommen (dem Oberflächenintegral über die statischen Drücke). Die Länge des festen Düsenauslaufs ist also wichtig bei der Maximierung des Schubs. Dennoch ist sie in der Praxis begrenzt im Hinblick auf die Anpassungsphänomene für den Außendruck, demzufolge die Länge des fixen Düsenauslaufs zu einem Kompromiss zwischen diesen einander widersprechenden Forderungen wird.
- Außerdem leiden die herkömmlichen Vorrichtungen mit beweglicher Düsennadel und fixem Düsenauslauf an zwei Unzulänglichkeiten: relativ großer Raumbedarf in Richtung der Schubachse und Dauermangel bei der Optimierung des erzeugten Schubs. Diese Unzulänglichkeiten sind besonders gravierend bei Anwendungen in Flugkörpern mit relativ geringem Durchmesser, deren Höhe während des Flugs stark schwankt, wie dies z. B. bei Boden-Luft-Abfangraketen der Fall ist.
- Gegenstand und Offenbarung der Erfindung
- Ziel der Erfindung ist es, Vorrichtungen für einen variierbaren seitlichen Schub zum Steuern von Raumfahrzeugen mit eingeschränktem Platzangebot, insbesondere in Schubrichtung, anzugeben, die als Folge ihrer Kompaktheit eine bessere Anpassbarkeit zum Einbau in die Fahrzeuge und eine geringere Masse besitzen. Insbesondere besteht ein Ziel der Erfindung darin, Vorrichtungen für einen veränderbaren seitlichen Vorschub anzugeben, die sich in Fahrzeuge unter Berücksichtigung von deren eingeschränkten Abmessungen, beispielsweise ihrem begrenzten Außendurchmesser, einbauen lassen.
- Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, Schubvorrichtungen vorzuschlagen, die nicht nur kompakt sind, sondern außerdem in der Lage sind, einen optimalen Schub zu liefern, und zwar sowohl im Hinblick auf den Außendruck als auch auf die Höhe.
- Zu diesem Zweck schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, welche umfasst:
eine bewegliche Düsennadel, einen Ventilkörper mit einer die Nadel teilweise umgebenden Kammer, mindesten eine Gaseinlassöffnung, die in die Kammer mündet, und eine Gasaustrittsöffnung, die in die Kammer mündet und begrenzt wird von einem Teil der Wand, die zusammen mit einem Teil einer Nase der Düsennadel einen Gasaustrittsquerschnitt für den Austritt des Gases aus der Kammer bestimmt; und eine Betätigungseinrichtung zum Steuern der Lage der Düsennadel in dem Ventilkörper durch Einwirken auf einen hinteren Endabschnitt der Düsennadel, wobei die Nase der beweglichen Düsennadel ein aerodynamisches konkaves Profil aufweist und der Bereich der Wand, der den Auslass der Kammer begrenzt, derart ausgeformt ist, dass das austretende Gas im Wesentlichen in Richtung der Konkavität der Nase der Düsennadel gelenkt werden kann. - Auf diese Weise erfüllt die Düsennadel sowohl die Funktion eines beweglichen Organs, das eine Veränderung des Schubs durch Steuern des Gasaustritt-Querschnitts ermöglicht, als auch die Funktion eines Hauptorgans zur Aufnahme des erzeugten Schubs.
- Auf diese Weise ist es im Gegensatz zu herkömmlichen Vorrichtungen zum Erzeugen eines veränderlichen Schubs nicht notwendig, den Gasauslass der Kammer durch eine Düsenaufweitung zu verlängern, allenfalls nur durch eine stark verkürzte Düsenaufweitung. Die seitliche Erstreckung der Schubvorrichtung ist also verringert, so dass man Fahrzeuge entwickeln kann, die einen begrenzten Außendurchmesser besitzen. Die Betätigungseinrichtung der Düsennadel, die auf deren hinteren Bereich einwirkt, befinden sich auf der Innenseite und nimmt folglich keinen Platz im Peripheriebereich des Fahrzeugs ein. Außerdem wird der austretende Gasstrom an seinem Umfang durch den Einfluss des atmosphärischen Umgebungsdrucks eingeschränkt und passt sich automatisch an Umgebungsdruckschwankungen an, wodurch stets ein optimaler Schub in Abhängigkeit der Höhe erzeugt wird.
- Eine Ausgestaltung einer autoadaptiven Schubvorrichtung mit einem Zentralkörper in Form einer gegebenenfalls abgeschnittenen Spitze und einem aerodynamischen konkaven Profil sowie mit einer zumindest teilweise virtuellen Düse ist an sich bekannt, insbesondere unter dem Begriff "tuyère à détentedéflexion" oder dem englischen Begriff "aerospike", allerdings auf dem Gebiet von Raumfahrzeugantrieben. Auf diesem Gebiet der Raumfahrzeugantriebe wurde durch die US-A-3 888 419 und die US-A-3 989 191 vorgeschlagen, eine eingeschränkte Möglichkeit der Intensitätsänderung und der Schubrichtung durch Modifikation der Lage eines Teils vor dem metallischen Mittelkörper mit Hilfe von hydraulischen Aktuatoren zu bewerkstelligen, die sich im Inneren des Mittelkörpers befinden. Die Betriebssicherheit einer solchen Vorrichtung, die heißen Gasen ausgesetzt ist, scheint nur schwer gewährleistet werden zu können. Man kann auch noch auf die US-A-3 929 289 verweisen, die eine Axialvorrschubvorrichtung mit einem Zentralkörper beschreibt, der einen Außenbereich aus Graphit besitzt. Der Schub lässt sich variieren durch Ändern der axialen Stellung eines Mantels, der den Zentralkörper umgibt, wozu externe Betätigungsmittel erforderlich sind.
- Gemäß einer vorteilhaften Besonderheit bezüglich der Kompaktheit und der Integrationsfähigkeit der erfindungsgemäßen Schubvorrichtung ist der Ventilkörper in einen Treibgasgenerator eingelassen. Der Ventilkörper und die Düsennadel, die mit den heißen Gasen in Berührung treten, bestehen vorzugsweise aus einem Thermostruktur-Verbundmaterial, insbesondere aus einem Keramikmatrix-Verbundwerkstoff, beispielsweise einem C/SiC-Verbundwerkstoff (Kohlenstofffaser-Verstärkung, verdichtet durch einen Matrix aus Kohlenstoff und Silicium).
- Gemäß einer weiteren Besonderheit der erfindungsgemäßen Schubvorrichtung ist die Betätigungseinrichtung vom Proportional-Typ, die eine vollständige Modulation des Schubs zwischen voller Kraft und null Kraft ermöglicht. Die Betätigungseinrichtung ist beispielsweise vom elektromechanischen Typ und kann mit der Düsennadel über eine Drehwelle gekoppelt sein, die mit einem Exzenter ausgestattet ist, der in einer Umfangsnut im hinteren Endabschnitt der Düsennadel eingreift.
- Gemäß einer noch weiteren Besonderheit der erfindungsgemäßen Schubvorrichtung ist die Betätigungseinrichtung thermisch gegenüber heißen Gasen getrennt, die in dem Ventilkörper zirkulieren.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 der beigefügten Zeichnungen zeigt ein Beispiel für die Lagerung von proportional arbeitenden, unabhängigen Ventilen, die coplanar in dem Gasgenerator untergebracht sind zwecks Feinsteuerung einer Abfangrakete begrenzten Kalibers; -
2 zeigt eine spezielle Ausführungsform einer Vorrichtung mit veränderlichem Schub gemäß der Erfindung, dargestellt mit teilweise herausgebrochenen Teilen; und -
3 ist eine Schnittansicht, die im oberen Teil den Einbau der Vorrichtung nach2 in einem Antrieb zeigt, während der untere Teil zum Vergleich den Einbau der veränderbaren Schubvorrichtung gemäß Stand der Technik zeigt. - Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
-
1 zeigt den Einbau mehrerer Vorrichtungen1 mit veränderbarem Schub gemäß der Erfindung in einem Raumfahrzeug wie z. B. eine Abfangrakete2 begrenzten Kalibers. Der Begriff begrenztes Kaliber soll hier einen relativ geringen Durchmesser für das Raketengehäuse bedeuten. - Die Schubvorrichtungen
1 liefern modulierbare oder veränderliche Schübe in Richtungen (Pfeile F), die im Wesentlichen rechtwinklig zur Hauptachse A des Fluggeräts2 verlaufen. Betätigt werden sie von Aktuatoren, die sich in abgedichteten Gehäusen4 befinden und von einem Bordrechner des Fluggeräts gesteuert werden. Bei dem dargestellten Beispiel gibt es insgesamt vier Vorrichtungen mit veränderlichem Schub, regelmäßig um die Achse A des Fluggeräts2 herum coplanar verteilt angeordnet, d. h. derart, dass sie seitliche Schübe in den Richtungen erzeugen, die sich in ein und derselben, zu der Achse A orthogonalen Ebene befindet. Im Fall der Zwangssteuerung werden die seitlichen Schübe etwa auf der Höhe des Schwerpunkts des Fluggeräts eingesetzt. - Die Schubvorrichtungen
1 sind in das Innere eines Gasgenerators3 eingelassen, welcher die Treibgase erzeugt, die die Schubvorrichtung speisen. In der.1 sind andere Teile des Fluggeräts2 außer der Anordnung aus den Vorrichtungen für veränderbaren Schub1 nicht dargestellt. - Im Folgenden wird auf die
2 und3 (bei Letzterer auf den oberen Teil) Bezug genommen, die in größeren Einzelheiten eine der Vorrichtungen für veränderbaren Schub der1 veranschaulichen. - Die Vorrichtung für veränderbaren oder modulierbaren Schub
1 enthält eine axialsymmetrische, bewegliche Düsennadel10 im Inneren eines Ventilkörpers20 . Der Ventilkörper ist in den Erzeuger für Heißgase30 eingelassen und beispielsweise durch Verschraubung an der Außenhülle32 eines zu steuernden Raumfahrzeugs befestigt, beispielsweise eines Rakete. Zu diesem Zweck ist der Ventilkörper2 mit einem ringförmigen Kragen21 ausgestattet, der sich an die Innenwand einer Verdickung33 der Hülle32 unter Einfügung eines zylindrischen Isolierrings34 L-förmigen Meridianquerschnitts anlegt. Zwischen dem Ring34 und dem Kragen21 und zwischen dem Ring34 und der Innenwand der Hülle32 befinden sich O-Dichtungsringe35 und36 . - Die Düsennadel
10 ist in einer Richtung A quer zur Längsrichtung des zu steuernden Fluggeräts beweglich. Sie besitzt einen zylindrischen Schaft32 , der im Inneren einer zylindrischen Ausnehmung22 des Ventilkörpers unter Einfügung eines ringförmigen Dichtungssegments23 gleitet, wobei letztere in einer Umfangsnut des Schafts12 aufgenommen ist. An ihrem vorderen Endabschnitt oder der Nase14 besitzt die Düsennadel10 einen aufgeweiteten Abschnitt14a , der sich innerhalb einer Kammer24 des Ventilkörpers befindet, die einen bezüglich der Aufnahme22 vergrößerten Durchmesser besitzt. Zwischen dem aufgeweiteten Abschnitt14a und ihrem vorderen Ende besitzt die Düsennadel10 einen Abschnitt15 mit einem sich verringerndem Durchmesser, der ein konkaves aerodynamisches Profil bildet. - Die Kammer
26 besitzt eine Gasauslassöffnung25 , begrenzt durch den geometrischen Hals37 eines axialsymmetrischen Einsatzes38 , der in eine zylindrische Ausnahme eingeschraubt ist, die durch den vorderen Bereich26 des Ventilkörpers gebildet wird. Der geometrische Hals37 bildet einen Sitz für die Nase14 der Düsennadel. Der Einsatz38 legt sich an eine Innenleiste26a des Ventilkörpers unter Einfügung einer Dichtung39 an. Eine oder mehrere Zutrittsöffnungen27 für Treibgas sind in der Umfangswand der Kammer26 ausgebildet (vergleiche1 ). An ihrem der Nase14 abgewandten hinteren Ende besitzt die Düsennadel10 eine Umfangsnut16 . Eine Axialbohrung17 durchsetzt die Düsennadel10 über ihre gesamte Länge. - Die Stellung der Düsennadel innerhalb des Ventilkörpers wird mit Hilfe eines elektromechanischen Aktuators
40 eingestellt. Letztere ist mit der Düsennadel10 über eine mittels einer Hülse42 gelagerte Welle41 gekoppelt, wobei die Welle durch einen Exzenter43 abgeschlossen wird, die in die Nut16 eingreift. Die Hülse42 ist in eine zylindrische Aufnahme28 des Ventilkörpers so weit eingeschraubt, dass sie an einer in dem Ventilkörper ausgebildeten Schulter28a anschlägt. Zwischen der Hülse42 und der Schulter28a befindet sich eine Ringdichtung44 . Die Aufnahme28 besitzt eine Achse, die orthogonal zur Achse der Aufnahme22 verläuft. - Im Folgenden wird die Arbeitsweise der beschriebenen Schubvorrichtung erläutert. Die von dem Gasgenerator erzeugten und über die Öffnungen
27 in die Kammer24 eingeleiteten heißen Gase werden durch den Auslass25 ausgestoßen, wobei sie gegen die konkave Fläche15 der Nase14 der Düsennadel gelenkt werden. Zu diesem Zweck bildet der Bereich der Innenwand29 , der die Öffnung25 begrenzt, mit der Achse A einen Winkel α von mehr als 45°, vorzugsweise von mehr als 60°, bis hin zu möglichen 90°, um die Gase auf die etwas vorne liegende Fläche25 zu lenken, d. h. normal zu der Achse A. Dieser Bereich der Innenwand29 wird im dargestellten Beispiel durch Teile der Innenwand des Ventilkörpers20 und das Teil38 gebildet, die ineinander übergehen. Der ausgeübte Schub wird folglich hauptsächlich von der Nadeldüse A in der Richtung A aufgenommen, seitlich in Bezug auf das Fluggerät. - Außerhalb des Gasauslasses
25 kann des Teil38 in der Weise ausgebildet sein, dass eine stark verkürzte Düse mit einem Auslaufansatz28a gebildet wird, der sich an den geometrischen Hals37 anschließt. Dies ist aber nicht unverzichtbar bei Fehlen eines äußeren aerodynamischen Ablaufs, der der Achse des Fluggeräts folgt, wobei die Hülle des austretenden Gasstroms eine Form annimmt, die sich automatisch an den Außendruck anpasst, indem sie sich auf der Umgebungsatmosphäre "abstützt". Die Vorrichtung kann also ggf. vollständig auf die Düsenaufweitung verzichten. - Im Fall einer Rakete oder eines Launchers, die im atmosphärischen Bereich arbeiten, kann man ebenfalls einen Vorteil dadurch erreichen, dass man die Aufweitung auf minimalster Länge hält, um als aerodynamische Verkleidung zu dienen und die Wechselwirkungen des Strahls der ausgestoßenen Gase auf der Höhe der Düsennadel mit dem äußeren Strom entlang dem Gehäuse des Fluggeräts zu beschränken.
-
3 (unterer Teil) zeigt die Form, die eine Düse58 unter Verwendung einer Düsennadel50 ohne optimierte aerodynamische Nase des Typs "Aerospike" entsprechend dem Stand der Technik erforderlich macht, um eine äquivalente Leistung zu erzielen. Der Vergleich des unteren und des oberen Teils der3 macht den durch die Erfindung erzielbaren beträchtlichen Platzgewinn deutlich, erreicht dadurch, dass die Nase der Düsennadel in Bezug auf externe Strömungen entlang der Umhüllung32 des Fluggeräts verdeckt gehalten wird. Außerdem hat die feststehende Düse im Stand der Technik eine vorgegebene Form, die nicht an die Bedingungen des Flugs des Fluggeräts in unterschiedlichen Höhen angepasst ist. - Die Drehung der Welle
41 mit Hilfe des Aktuators40 ermöglicht durch Verlagerung des Exzenters innerhalb der Nut16 eine Verschiebung der Nadeldüse10 innerhalb der Aufnahme22 , und damit ein Variieren des Austrittsquerschnitts für das Gas, und dementsprechend der Intensität des Schubs, der von der Düsennadel aufgenommen wird. Vorzugsweise macht man von einem Proportional-Aktuator Gebrauch, der es ermöglicht, den Schub auf jeden gewünschten Wert zu regulieren. Die Bohrung17 ermöglicht, die auf die Enden der Düsen nadel ausgeübten Drücke auszugleichen, so dass die Verstellung der Düsennadel erleichtert wird. Die verschiedenen, zueinander ähnlichen und modulierbaren Schubvorrichtungen, die am Umfang des zu steuernden Fluggeräts verteilt angeordnet sind, ermöglichen durch Kombinieren der von ihnen erzeugten Schübe die Erzeugung einer zusammengesetzten seitlichen Schubkomponente, wie es möglicherweise zur Korrektur der Lage des Fluggeräts notwendig ist oder zur Abweichung von der Flugbahn (Zwangssteuerung). - Die Düsennadel
10 und der Ventilkörper20 sind direkt den heißen Gasen ausgesetzt, wobei diese wiederum in Richtung auf die Nase der Düsennadel gelenkt werden. Folglich muss man zu ihrer Herstellung Werkstoffe verwenden, die erhöhten Temperaturen widerstehen können. Vorzugsweise verwendet man ein Thermostruktur-Verbundmaterial. Thermostruktur-Verbundwerkstoffe sind besonders gut geeignet wegen ihres geringen Gewichts, ihren guten mechanischen Eigenschaften und ihrer Fähigkeit, bei hohen Temperaturen Bestand zu haben. - Hergestellt werden sie aus einer Faserverstärkung in Form von hitzebeständigen Fasern, insbesondere aus Kohlenstoff oder Keramik, verdichtet durch eine ebenfalls hitzebeständige Matrix, z. B. aus Kohlenstoff oder Keramik. Angesichts der Höhe der Temperatur und der physikalisch-chemischen Beanspruchungen (Erosion) verwendet man vorzugsweise einen Verbundwerkstoff mit Keramikmatrix (CMC), so z. B. einen C/SiC-Verbundwerkstoff mit Kohlenstoff-Verstärkungsfasern und, einer Matrix aus Siliciumcarbid. Die Verwendung von Thermostruktur-Verbundwerkstoffen ermöglicht insbesondere den Verzicht auf komplizierte Kühlsysteme, die in den meisten Düsen mit Zentralkörper verwendet werden, die derzeit bekannt sind. Die Welle
41 der Betätigungseinrichtung lässt sich aus dem gleichen Material fertigen. Der Betätiger40 wird auf Grund seiner Entfernung von den heißen Gasen nicht den gleichen erhöhten Temperaturen ausgesetzt. Er ist thermisch dadurch isoliert, dass er zwischen Materiallagen angeordnet ist, die eine Isolierung entlang des Verlaufs der Welle41 schaffen, außerdem ist er in einem abgedichteten Gehäuse4 untergebracht. Was die verschiedenen Dichtungen angeht, so können diese aus einem Werk stoff auf Graphitbasis bestehen, soweit die Teile betroffen sind, die erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind.
Claims (11)
- Vorrichtung für veränderbaren Schub zum Steuern eines Raumfahrzeugs durch Erzeugung eines seitlich gerichteten Schubs, der im Wesentlichen rechtwinklig zu einer Hauptachse des Fahrzeugs verläuft, umfassend: eine bewegliche Düsennadel (
10 ); einen Ventilkörper (20 ) mit einer die Nadel teilweise umgebenden Kammer (24 ), mindesten eine Gaseinlassöffnung (27 ), die in die Kammer mündet, und eine Gasaustrittsöffnung (25 ), die in die Kammer mündet und begrenzt wird von einem Teil der Wand, die zusammen mit einem Teil einer Nase (14 ) der Düsennadel einen Gasaustrittsquerschnitt für den Austritt des Gases aus der Kammer bestimmt; und eine Betätigungseinrichtung (40 ,41 ,43 ) zum Steuern der Lage der Düsennadel in dem Ventilkörper durch Einwirken auf einen hinteren Endabschnitt der Düsennadel, dadurch gekennzeichnet, dass die Nase (14 ) der beweglichen Düsennadel (10 ) ein aerodynamisches konkaves Profil (15 ) aufweist und der Bereich der Wand (29 ), der den Auslass (25 ) der Kammer begrenzt, derart ausgeformt ist, dass das austretende Gas im Wesentlichen in Richtung der Konkavität der Nase der Düsennadel gelenkt werden kann. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasauslass (
25 ) durch einen geometrischen Düsenhals (37 ) gebildet wird, der sich außerhalb des Gasauslasses an einen Auslaufansatz (34a ) anschließt, welcher eine stark verkürzte Düse bildet. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerhalb des Gasauslasses ohne auseinander laufende Düse ist.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (
20 ) in einen Treibgasgenerator (3 ) eingelassen ist. - Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung in den Treibgasgenerator eingelassen ist und thermisch durch den Generator von Gasprodukten getrennt ist.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (
20 ) und die Düsennadel (10 ) aus einem Thermostruktur-Verbundstoff bestehen. - Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (
20 ) und die Düsennadel (10 ) aus einem Keramikmatrix-Verbundstoff bestehen. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (
10 ) über ihre gesamte Länge mit einer Axialbohrung (17 ) ausgestattet ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung vom Proportional-Typ ist.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung einen elektromechanischen Aktuator (
40 ) aufweist, der mit der Düsennadel über eine mechanische Verbindung (41 ,43 ) gekoppelt ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung eine Welle (
41 ) aufweist, die mit einem Exzenter (43 ) ausgestattet ist, der in eine in einem hinteren Endabschnitt der Düsennadel ausgebildete Nut (16 ) eingreift.
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Legal Events
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