EP3163250A1 - Full calibre, spin-stabilized guided projectile with a high range - Google Patents
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- EP3163250A1 EP3163250A1 EP16002294.3A EP16002294A EP3163250A1 EP 3163250 A1 EP3163250 A1 EP 3163250A1 EP 16002294 A EP16002294 A EP 16002294A EP 3163250 A1 EP3163250 A1 EP 3163250A1
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- F42B10/60—Steering arrangements
- F42B10/62—Steering by movement of flight surfaces
- F42B10/64—Steering by movement of flight surfaces of fins
Definitions
- the invention relates to a spin-stabilized over the entire flight phase of the projectile, which is steerable from the peak of the trajectory to the destination.
- a generic steering column is a conventional, high-load 155 mm full-caliber high-load bullet with a precision steering kit screwed into the nose of the bullet (bullet with a Precision Guidance Kit (PGK) published and described on the website: http: // en.wikipedia.org/wiki/XM1155 Precision Guidance Kit ).
- the steering floor is designed so that it is spin-stabilized over the entire trajectory.
- the swirl stabilization causes a good stabilization of the projectile.
- the air resistance of spin-stabilized projectiles is lower. Accordingly, spin-stabilized projectiles have a high range.
- the precision steering kit on the nose of the bullet comprises a Canard steering device with Canard steering wings.
- Canard steering devices are widely used as steering devices and are part of a guidance, navigation and control system.
- the Canard wings are the only wings of the projectile with the precision steering kit. Since the Canard-wing are fixed and depending on the rotational position in the room a fixed steering torque is generated, steering takes place via a control of the rotation angle or rate of rotation of the roll-coupled Canard-steering device with the aid of an electric motor, aerodynamic coefficients, such as the pitch torque increase coefficient C m ⁇ ( pitching moment derivative coefficient), influence the trajectory.
- C m ⁇ pitching moment derivative coefficient
- the pitch torque increase coefficient C m ⁇ is on the order of 3 to 5 , depending on the exact bullet geometry and flight conditions. Accordingly, the distance between the static nose and the nose of the bullet is Air attack point and the center of gravity of the projectile in the order of 1 to 3 times the caliber, ie in the range between 15 to 45 cm.
- the steering floor has a range of about 30 - 35 km.
- the US 6,666,402 shows another steering floor, which is designed so that it is spin-stabilized over the entire flight phase.
- the steered floor includes a nose with a Canard steering device with Canard steering wings.
- the steering floor is a large caliber full caliber bullet. To increase the range is a rocket assembly in the rear.
- the EP 2 165 152 B1 shows another steering floor. Until it reaches its climax, the projectile is stabilized with swirl-stabilized wings and folded-in rear wings. With the help of a rocket engine, the rate of rotation is then reduced to then unfold the rear wings for arrow stabilization.
- the steered floor includes a nose with a Canard steering device with Canard steering wings.
- the basement is a large-caliber full-caliber bullet,
- the EP 1309 831 B1 shows another, designed asnostikalibriges full-caliber bullet base.
- the steering floor comprises, in addition to a Canard steering device with Canard steering wings, in addition to a rocket motor and next to rear wings to arrow stabilization still aircraft-like wing wings on to increase the range by a long sliding phase.
- the invention is based on the basis of a generic steering column the task of increasing the range.
- the advantages of the invention are based on the idea of the invention that the steering floor has hinged, over-caliber side-moment reduction vanes and that the rare-moment reduction vanes are formed and arranged behind the center of gravity in the rear direction on the steering floor, that the side moments during a section the descent phase are close to zero.
- the lateral moments are zero when the air strike point coincides with the center of gravity of the projectile.
- the advantages of the invention are based on the idea of the invention that the side-moment reduction vanes are formed and positioned behind the rear-center of gravity on the steering floor such that during a portion of the descent phase the air-attack point is nearly coincident with the center of gravity of the projectile. When the air strike point coincides with the center of gravity of the projectile, the side moments are zero.
- the side-moment reduction wings cause a natural glide of the steering floor and a behavior like a nearly perfect top, because the side moments are almost absent.
- the side-moment reduction wings form lift surfaces and thereby increase the range.
- the lateral moment reduction vanes each have an attachment end, and the axial distance between the side moment reduction vanes, measured at the center of the attachment end, and the center of gravity S is 0.01 times to 1.0 times the caliber. Within the specified axial distance range, it is possible that the pitch torque increase coefficient C m ⁇ of the steering floor can be reduced to small values.
- each side-moment reduction wing protrudes in the unfolded position with a radial extent beyond the mantle of the steering floor, such that the radial extent is 0.8 to 2 times the caliber of the steering floor.
- the amount of radial extension of the lateral moment reduction vanes beyond the mantle of the steering floor is an important parameter.
- Long side-moment reduction wings increase lift, but also drag.
- the local velocity at the outer tip of the side-moment reduction vanes must not be close to Mach 1, otherwise the air resistance would be too high.
- the local velocity at the outer tip of the side-moment reduction vanes is less than Mach 1. This explains the specified radial extent of 0.8 to 2 times the caliber. In the context of the embodiments will be discussed in more detail hereon.
- the lateral moment reduction wings are entangled in a propeller manner such that at least during a portion of the descent phase rotational energy is translated into translational energy and at least that the side moment reduction vanes are non-rotatably connected to the steering floor. hereby increases on the one hand the range, because the translational speed is increased with decreasing the rotational speed. Further, the pseudo-Magnus force is reduced because the wing profile follows the local velocity vector.
- the lateral moment reduction wings are mounted roller decoupled.
- the roll decoupling of the lateral moment reduction vanes reduces the yaw rate of the side moment reduction vanes, and hence the pseudo magnus effects, which are dependent on the magnitude of the yaw rate of the side moment reduction vanes.
- the steering floor exclusively on the canard-wing and the side-moment reduction wing. This simplifies the training and design of the steering floor.
- the canard-steering device is designed so that the canard-steering wings are extendable and retractable. In the retracted position, the air resistance is low and the range increased. The Canard-Lenkeriel are retracted in the ballistic ascent phase and also during the steering phase, if no correction of the trajectory is necessary.
- the Fig. 1 shows a steering column 1.
- the steering column 1 is designed so that it is spin-stabilized over the entire flight phase.
- the steering column 1 comprises a nose 2 with a canard-steering device 20 with canard-steering wings 21.
- the steering-floor 1 is a large-caliber full-caliber projectile of caliber 155 mm. In deviation from the illustrated embodiment, the caliber could also be other values.
- the basement 1 has hinged, over-caliber lateral moment reduction wings 10, whose function will be described in detail.
- the Canard steering device 20 is roller-decoupled and driven by an axial motor. Furthermore, the Canard steering device 20 is part of a guidance, navigation and control system.
- the Canard-steering device 20 is formed so that the Canard-fins 21 are more or less extensible and retractable. In the retracted position, the air resistance is reduced. In extended positions of a Canard steering wing 21 steering forces are generated.
- the canard-fins 21 are used to the in Fig. 2 drawn approach angle ⁇ according to calculations according to the steering rules set so that the target is taken.
- the angle of attack ⁇ is the angle between the axis of symmetry r of the steering floor 1 and the velocity vector v.
- Canard wings for Rolfentkopplung and setting the roll angle can be used.
- other concepts of Canard steering devices can be used, as are well known in the art.
- the Fig. 3 illustrates the different phases of the trajectory.
- a ballistic promotion phase B is followed by a descent phase F.
- the Absinkflugphase F consists of a Aufklappphase K and a steering phase G together.
- the Fig. 3 represents a coordinate system in which the height a is plotted over the range w.
- Ballistic Ascension Phase B The lateral momentum reduction wings 10 are in their retracted position during acceleration in the gun barrel and ballistic flight until the culmination of the trajectory is reached.
- the roll-decoupled steering device 20 is initially blocked with the rest of the steering block 1, so that the roller-decoupled steering device 20 rotates at the same rate of rotation as the rest of the steering column 1.
- the steering device 20 may already be roller-decoupled in the ballistic rise phase B.
- the steering column 1 is dralistabilized at a high rate of rotation throughout the ballistic ascent phase 8, in which the side-moment reduction vanes 10 are collapsed.
- Opening phase K Close to the climax of the trajectory, the guidance, navigation and control system is activated.
- the lateral moment reduction wings 10 unfold.
- the rotational blockade of Canard steering device 20 is released.
- the guidance, navigation and control system calculates a desired roll angle and ensures that the nose 2 of the steering floor 1 with the aid of the axial motor follows the target roll angle.
- Other concepts of a Canard steering device without Axial motor can also be used, with wings of the Canard steering device set the desired roll angle.
- Steering phase G After the unfolding phase K, the lateral moment reduction wings 10 are completely unfolded. During the steering phase G, the lateral moment reduction vanes 10 remain in their fully unfolded position.
- the Canard steering device 20 is active. While maintaining a calculated roll angle steering forces are generated by the fact that the individual Canard-wings 21 are extended or retracted more or less.
- the Carlard fins 21 do not need to generate high steering torques to set an optimum angle of attack ⁇ between the axis of symmetry r and the velocity vector v to achieve long ranges.
- the resulting aerodynamic moment can be decomposed into a roll, pitch, and yaw component.
- the lateral pitching moment can be further decomposed into a sum of a static term, the so-called static pitching moment, a damping term and a dynamic term, the so-called pseudo-Magnusmoment. The same applies to the lateral yaw moment.
- the lateral moment reduction vanes 10 are arranged and configured such that the static air attack point D (hereby means the air attack point of the projectile's static aerodynamic forces, both the drag and lift forces) coincides as much as possible with the center of gravity S of the projectile 1 when the Canard fins 21 are retracted. This reduces the static pitch and yaw moments to near zero. As pitching and yawing moments, only the damping and pseudo-Magnus terms remain. The damping terms of the pitching and yawing moments contribute to the stability of the symmetry axis r of the steering floor 1.
- the pseudo-Magnus terms are reduced by using either propeller-entangled, non-roller-decoupled, or roll-decoupled side-torque reduction vanes, as discussed further below. Because all aerodynamic forces depend on the Mach number, the static pitch and yaw moments are close to zero only during a portion of the descent phase F.
- the steering column 1 will behave almost like a perfect gyro and the axis of symmetry r of the basement 1 will remain in almost the same direction.
- the descent phase F one has a situation with an almost constant symmetry axis r of the steering round 1 and a curved trajectory corresponding to gravity.
- an angle of incidence ⁇ sets in, which causes the steering floor 1 slides, in which form upward vertical buoyancy forces on the steering floor, so that the Range is increased.
- the angle of attack ⁇ is mapped using the sum of 3 three terms: First, the equilibrium angle term (in the English-language literature, the equilibrium angle is denoted by "yaw of repose"), secondly the precession term, and thirdly the nutation angle. Term. From a mathematical point of view, the yaw of repose is a complex quantity comprising the vertical angle of incidence and the lateral angle of displacement.
- the yaw of repose near the cul-de-sac of the trajectory is a lateral sideslip angle which translates into a lateral displacement force "lateral lift force”) and thus leads to a lateral deflection of a conventional ballistic 155 mm projectile. Since the static side moments are brought to values close to zero, in theory, the lateral sideslip angle translates into a vertical angle of attack, which increases the range .
- the distance between the static air attack point D and the center of gravity S is also very small. This distance is less than 0.05 times the caliber. Based on the embodiment of a 155 mm projectile, the distance is less than 8 mm.
- the lateral moment reduction wing 10 are entangled by propeller type. At least during a portion of the descent phase F rotational energy is translated into translational energy when, as explained below, the rotational speed is higher than the compensation rotational speed. At least in this case, the lateral moment reduction wings 10 are non-rotatably connected to the steering floor 1.
- the pseudo-Magnus effects cause forces and moments on the lateral torque reduction vanes 10, depending on the magnitude of the local angle of attack.
- the local angle of attack is reduced by the propeller-like entanglement of the lateral torque reduction vanes 10, as the wing profile follows the local velocity vector ,
- the cross-section of the lateral moment reduction vane 10 is collinear with the velocity vector resulting from the bullet velocity and the peripheral velocity. In addition to minimizing the pseudo-Magnus torque, this improves the lift-to-resistance ratio.
- the rotational speed it comes to the exercise of a tensile force. If, during the transitional phase after extension of the lateral moment reduction wing 10, the rotational speed is higher than a compensation rotational speed, the steering bullet 7 is pulled until the compensation rotational speed is reached.
- the tensile force on the Seftenmomenten reduction wings 10 reduces the air resistance at the basement 1 and improves the lift to air resistance ratio, whereby the range is increased.
- the lateral moment reduction vanes 10 may also be mounted roller decoupled.
- the lateral moment reduction vanes 10 may be straight, that is not entangled, or entangled in the manner of a propeller.
- a propeller-type entangled design is chosen when the side-moment reduction vanes 10 are to roll-decoupled at a low compensation rotational speed dictated by the propeller-type entanglement. Due to the roll decoupling the rate of rotation and thus the pseudo-Magnus effect are greatly reduced.
- each side moment reduction wing 10 protrudes in the deployed position with a radial extension e over the mantle of the basement 1 such that the radial extent e is in the range of 0.8 to 2 times the caliber d of the steering floor 1. This is a compromise. Because long side torque reduction wings 10 increase the buoyancy, but also the air resistance. Furthermore, the speed at the outer tip of the side-moment reduction vanes 10 must not be greater than Mach 1, because otherwise the air resistance would be too high.
- the local velocity at the outer tip of the side-moment reduction vanes 10 is vectorially composed the projectile speed and the peripheral speed according to the rotation rate.
- the rate of turn which is 200 to 250 revolutions per second (Hz) at the beginning of the descent phase, must be reduced.
- a rotation rate in the order of 50 to 100 Hz is to be aimed for.
- the rate of rotation of these vanes is independent of the rate of rotation of the rest of the steering bullet, so that it is not necessary to reduce the rate of rotation of the stepladder.
- the axial distance b of the lateral torque reduction vanes 10, measured at the center of the attachment end, and the center of gravity S is the 0.01- times up to 1.0 times the caliber d.
- the axial distance b is measured at the level of the projectile jacket surface.
- the distance b is small when, for example, the radial extent of the lateral moment reduction vanes 10 is large.
- the distance b is large when, for example, the radial extent of the lateral moment reduction vanes 10 is small.
- the lateral moment reduction vanes 10 are swept in the unfolded position with the sweep in the direction of flight.
- the sweep can also point to the stern.
- the lateral moment reduction wings 10 in the unfolded position can also be arranged at right angles to the symmetry axis r of the steering floor 1.
- Fig. 1 shows, the steering floor 1 no Heckleitwerk, because the steering column 1 is spin stabilized. Further, the steering floor 1 does not have a rocket motor, since the range is increased anyway by means of the side-moment reduction vanes 10 and a rocket motor would increase the complexity and cost of the stepladder.
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Abstract
Ein bekanntcs Lenkgeschoss (1) weist folgende Merkmale auf: a) das Lenkgeschoss (1) ist so ausgebildet, dass es über eine gesamte Flugbahn drallstabilisiert ist, b) das Lenkgeschoss (1) umfasst eine Nase (2) mit einer Canard-Lenkeinrichtung (20) mit Canard-Lenkflügeln (21), c) das Lenkgeschoss (1) ist ein großkalibriges Vollkalibergeschoss, d) die Flugbahn des Lenkgeschosses (1) wird von aerodynamischen Beiwerten, wie von einem Nickmomentanstiegs-Beiwert (C m± ), beeinflusst, Um die Reichweite des Lenkgeschosses zu erhöhen, weist das neue Lenkgeschoss zusätzlich folgende Merkmale auf: e) das Lenkgeschoss (1) weist aufklappbare, überkallbrige Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel (10) auf, f) die Seitenmomenteri-Reduzierungs-Flügel (10) sind derart ausgebildet und derart hinter dem Schwerpunkt (D) in Heckrlchtung am Lenkgeschoss (1) angeordnet, dass der NlckmomCntanstiegs-Beiwert ( C m± ) des Lenkgeschosses (1) im Bereich von ± 0,5 liegt, wenn €¢ das Lenkgeschoss (1) eine Geschwindigkeit aufweist, die im Geschwindigkeitsbereich von Mach 0,4 bis 0,8 liegt, €¢ die Seltenmomenten-Reduzlerungs-Flügcl (10) sich in ihrer aufgeklappten Stellung befinden und €¢ die Canard-Lenkeinrichtung (20) keine Lenkmomente ausübt. A known steering column (1) has the following features: a) the steering floor (1) is designed so that it is spin-stabilized over an entire trajectory, b) the steering floor (1) comprises a nose (2) with a Canard steering device (20) with canard steering wings (21), c) the steering floor (1) is a large-caliber full-caliber bullet, d) the trajectory of the basement (1) is influenced by aerodynamic coefficients, such as a pitching moment coefficient (C m ±), In order to increase the range of the basement, the new basement also has the following features: e) the steering floor (1) has hinged, überkallbrige side torque reduction wings (10), f) the Seitenmomenteri-reduction wings (10) are formed and arranged behind the center of gravity (D) in Heckrlchtung on the basement (1), that the NmckmomCntanstiegs-coefficient (C m ±) of the basement (1) in the range of ± 0.5 is when € ¢ the steering floor (1) has a speed which is in the speed range of Mach 0.4 to 0.8, € ¢ the rare-moment reduction wings (10) are in their unfolded position and € ¢ the Canard steering device (20) exerts no steering torque.
Description
Die Erfindung betrifft ein über die gesamte Flugphase drallstabilisiertes Lenkgeschoss, das vom Höhepunkt der Flugbahn bis zum Ziel lenkbar ist.The invention relates to a spin-stabilized over the entire flight phase of the projectile, which is steerable from the peak of the trajectory to the destination.
In einem Fachbuch über die Außenballistik (Titel:
Ein gattungsgemäßes Lenkgeschoss ist ein herkömmliches, großkalibriges 155-mm-Vollkalibergeschoss hoher Nutzlast mit einem an der Nase des Lenkgeschosses eingeschraubten Präzisions-Lenkungs-Bausatz (Geschoss mit einem Precision Guidance Kit (PGK), veröffentlicht und beschrieben auf der Internetseite: http://en.wikipedia.org/wiki/XM1155 Precision Guidance Kit). Das Lenkgeschoss ist so ausgebildet, dass es über die gesamte Flugbahn drallstabilisiert ist. Die Drallstabilisierung bewirkt eine gute Stabilisierung des Geschosses. Im Gegensatz zu einer Pfeilstabilisierung mit heckseitigen Leitflügeln ist der Luftwiderstand bel drallstabilisierten Geschossen geringer. Entsprechend weisen drallstabilisierte Geschosse eine hohe Reichweite auf. Jedoch sind drallstabillsierte Geschosse schwieriger zu lenken- Der Präzisions-Lenkungs-Bausatz an der Nase des Geschosses umfasst eine Canard-Lenkeinrichtung mit Canard-Lenkflügeln. Canard-Lenkeinrichtungen stellen weit verbreitete Lenkeinrichtungen dar und sind Teil eines Leit-, Navigations- und Kontrollsystems. Die Canard-Lenkflügel sind die einzigen Flügel des Geschosses mit dem Präzisions-Lenkungs-Bausatz. Da die Canard-Lenkflügel feststehend sind und je nach Drehstellung im Raum ein feststehendes Lenkmoment erzeugt wird, erfolgt eine Lenkung über eine Steuerung der Drehwinkel oder Drehrate der rollentkoppelten Canard-Lenkeinrichtung mit Hilfe eines Elektromotors, Aerodynamische Beiwerte, wie der Nickmomentanstiegs-Beiwert Cmα (pitching moment derivative coefficient), beeinflussen die Flugbahn. Bei einem herkömmlichen 155-mm-Vollkallbergeschoss ohne Präzisions-Lenkungs-Bausatz liegt der Nickmomentanstiegs-Beiwert Cmα, abhängig von der genauen Geschossgeometrie und den Flugbedingungen, in der Größenordnung von 3 bis 5. Entsprechend liegt Abstand zwischen dem der Nase des Geschosses zugewandten statischen Luftangriffspunkt und dem Schwerpunkt des Geschosses in der Größenordnung von dem 1- bis 3-fachen des Kalibers, also im Bereich zwischen 15 bis 45 cm. Das Lenkgeschoss weist eine Reichweite auf, die etwa bei 30 - 35 km liegt.A generic steering column is a conventional, high-load 155 mm full-caliber high-load bullet with a precision steering kit screwed into the nose of the bullet (bullet with a Precision Guidance Kit (PGK) published and described on the website: http: // en.wikipedia.org/wiki/XM1155 Precision Guidance Kit ). The steering floor is designed so that it is spin-stabilized over the entire trajectory. The swirl stabilization causes a good stabilization of the projectile. In contrast to arrow stabilization with tail-side guide vanes, the air resistance of spin-stabilized projectiles is lower. Accordingly, spin-stabilized projectiles have a high range. However, swirl-grounded projectiles are more difficult to steer- The precision steering kit on the nose of the bullet comprises a Canard steering device with Canard steering wings. Canard steering devices are widely used as steering devices and are part of a guidance, navigation and control system. The Canard wings are the only wings of the projectile with the precision steering kit. Since the Canard-wing are fixed and depending on the rotational position in the room a fixed steering torque is generated, steering takes place via a control of the rotation angle or rate of rotation of the roll-coupled Canard-steering device with the aid of an electric motor, aerodynamic coefficients, such as the pitch torque increase coefficient C mα ( pitching moment derivative coefficient), influence the trajectory. In a conventional 155 mm full-scale missile without a precision steering kit, the pitch torque increase coefficient C mα is on the order of 3 to 5 , depending on the exact bullet geometry and flight conditions. Accordingly, the distance between the static nose and the nose of the bullet is Air attack point and the center of gravity of the projectile in the order of 1 to 3 times the caliber, ie in the range between 15 to 45 cm. The steering floor has a range of about 30 - 35 km.
Nachfolgend werden Dokumente genannt, die wie die vorliegende Erfindung Lenkgeschosse betreffen, die auch in der letzten Flugphase des Geschosses drallstabilisiert sind:
- Die
US 7 963 442 B2
- The
US Pat. No. 7,963,442 B2
Die
Nachfolgend werden Lenkgeschosse beschrieben, die abweichend von der vorliegenden Erfindung nicht über die gesamte Flugphase drallstabilisiert sind und vielmehr mindestens in der letzten Flugphase des Geschosses, der Lenkungsphase, überwiegend pfeilstabilisiert sind:
- Die
US 2014/0326824 A1
- The
US 2014/0326824 A1
Die
Die
Nachfolgend wird ein Dokument genannt, das eine besondere Flügelausbildung betrifft:
- Die
DE 20 16 05 A
- The
DE 20 16 05 A
Nachfolgend geht es um Begrifflichkelten in Sachen Magnuskraft:
- In Fachkreisen unterscheidet man zwei Haupttypen von Magnuseffekten, die beide auf der Rotation des Geschosses beruhen: Erstens der klassische Magnuseffekt, der auf den Geschosskörper bezogen ist. Zweitens der Magnuseffekt, der an den Flügeln des Geschosses auftritt und der in Fachkreisen als Pseudo-Magnuseffekt bezeichnet wird.
- In technical circles, two main types of Magnus effects are distinguished, both of which are based on the rotation of the projectile: First, the classic Magnus effect, which is related to the projectile body. Second, the Magnus effect, which occurs at the wings of the projectile and which is referred to in professional circles as a pseudo-Magnus effect.
Der Erfindung liegt ausgehend von einem gattungsgemäßen Lenkgeschoss die Aufgabe zu Grunde, die Reichweite zu erhöhen.The invention is based on the basis of a generic steering column the task of increasing the range.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.This object is achieved by the features of
Die Vorteile der Erfindung beruhen auf der Idee der Erfindung, dass das Lenkgeschoss aufklappbare, überkalibrige Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel aufweist und dass die Seltenmomenten-Reduzierungs-Flügel derart ausgebildet und hinter dem Schwerpunkt in Heckrichtung am Lenkgeschoss angeordnet sind, dass die Seitenmomente während eines Abschnittes der Absinkflugphase nahe null sind. Die Seitenmomente sind gleich null, wenn der Luftangriffspunkt mit dem Schwerpunkt des Geschosses zusammenfällt.The advantages of the invention are based on the idea of the invention that the steering floor has hinged, over-caliber side-moment reduction vanes and that the rare-moment reduction vanes are formed and arranged behind the center of gravity in the rear direction on the steering floor, that the side moments during a section the descent phase are close to zero. The lateral moments are zero when the air strike point coincides with the center of gravity of the projectile.
Alternativ ausgedrückt beruhen die Vorteile der Erfindung auf der Idee der Erfindung, dass die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel derart ausgebildet und hinter dem Schwerpunkt in Heckrichtung am Lenkgeschoss angeordnet sind, dass während eines Abschnittes der Absinkflugphase der Luftangriffspunkt mit dem Schwerpunkt des Geschosses nahezu zusammenfällt. Wenn der Luftangriffspunkt mit dem Schwerpunkt des Geschosses zusammenfällt, sind die Seitenmomente gleich null.Alternatively, the advantages of the invention are based on the idea of the invention that the side-moment reduction vanes are formed and positioned behind the rear-center of gravity on the steering floor such that during a portion of the descent phase the air-attack point is nearly coincident with the center of gravity of the projectile. When the air strike point coincides with the center of gravity of the projectile, the side moments are zero.
Hierzu sind die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel derart ausgebildet und hinter dem Schwerpunkt in Heckrichtung am Lenkgeschoss angeordnet, dass der Nickmomentanstiegs-Beiwert Cmα des Lenkgeschosses im Bereich von ± 0,5 liegt. Dieser Bereich zwischen -0,5 bis +0,5 bedeutet, dass die Seitenmomente, genauer gesagt die statischen Seitenmomente, was im Rahmen der Ausführungsbeispiele noch genauer erläutert wird, nahe null sind. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass der Luftangriffspunkt, genauer gesagt der statische Luftangriffspunkt, und der Schwerpunkt nahezu zusammenfallen. Der genannte Bereich von ± 0,5 des Nickmomentanstiegs-Beiwerts Cmα des Lenkgeschosses liegt dann vor, wenn
- a) erstens das Lenkgeschoss eine Geschwindigkeit aufweist, die im Geschwindigkeitsbereich von Mach 0,4 bis 0,8 liegt. Wegen der Abhängigkeit von der Geschwindigkeit können die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel nur für eine bestimmte Geschwindigkeit optimiert werden. Weil die Geschwindigkeit in der gelenkten Phase überwiegend in dem Geschwindigkeitsbereich von Mach 0,4 bis 0,8 liegt, optimiert man die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel auf eine Geschwindigkeit in dem genannten Geschwindigkeitsbereich.
- b) zweitens die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel sich in ihrer aufgeklappter Stellung befinden, wie dies in der Lenkphase der Fall ist.
- c) drittens die Canard-Lenkeinrichtung keine Lenkmomente ausübt. Denn Lenkmomente der Canard-Lenkeinrichtung verändern die Seitenmomente und damit den Nickmomentanstiegs-Beiwert Cmα des Lenkgeschosses. Entsprechend sollen die niedrigen Nickmomentanstiegs-Beiwerte Cmα dann gelten, wenn die Canard-lenkeinrichtung sich neutral verhält.
- a) first, the steering floor has a speed which is in the speed range of Mach 0.4 to 0.8. Because of the dependence on speed, the lateral moment reduction vanes can only be optimized for a certain speed. Because the speed in the steered phase is predominantly in the speed range of Mach 0.4 to 0.8, the side-torque reduction vanes are optimized for a speed in said speed range.
- b) second, the side-torque reduction vanes are in their unfolded position, as is the case in the steering phase.
- c) third, the Canard steering device exerts no steering torque. For steering moments of Canard steering device change the side moments and thus the pitching moment coefficient C mα of the steering floor. Accordingly, the low pitch torque increase coefficients C mα should apply when the Canard steering device is neutral.
Die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel bewirken ein natürliches Gleiten des Lenkgeschosses und ein Verhalten wie ein nahezu perfekter Kreisel, weil die Seitenmomente nahezu fehlen. Ein optimaler Anströmwinkel, einstellbar mit der Canard-Lenkeinrichtung, maximiert die Reichweite. Einzelheiten hierzu sind im Ausführungsbeispiel aufgeführt.The side-moment reduction wings cause a natural glide of the steering floor and a behavior like a nearly perfect top, because the side moments are almost absent. An optimal angle of attack, adjustable with the Canard steering device, maximizes range. Details of this are listed in the embodiment.
Weil das Lenkgeschoss natürlich gleitet und weil sich das Lenkgeschoss nahezu wie ein perfekter Kreisel verhält, sind nur geringe Stellkräfte der Canard-Lenkeinrichtung erforderlich. Dies bedeutet, dass nur kleine Canard-Lenkflügel erforderlich sind, die nur geringfügig den Luftwiderstand erhöhen, was wiederum die Reichweite erhöht.Because the steering column of course slides and because the steering floor behaves almost like a perfect gyroscope, only small actuating forces of the Canard steering device are required. This means that only small Canard wings are required, which only slightly increase the air resistance, which in turn increases the range.
Die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel bilden Auftriebsflächen und erhöhen dadurch die Reichweite.The side-moment reduction wings form lift surfaces and thereby increase the range.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt der Nickmomentanstiegs-Beiwert Cmα des Lenkgeschosses nicht nur dann im Bereich von ± 0,5, wenn
- das Lenkgeschoss eine Geschwindigkeit aufweist, nachfolgend Auslegungsgeschwindigkeit genannt, die im Geschwindigkeitsbereich von Mach 0,4 bis 0,8 liegt, sondern auch
- in einem gesamten Geschwindigkeitsbereich, der von der Auslegungsgeschwindigkeit minus einer
Geschwindigkeit von Mach 0,1 bis zu der Auslegungsgeschwindigkeit plus einerGeschwindigkeit von Mach 0,1 reicht. Desto größer der Geschwindigkeitsbereich ist, für den niedrige Nickmomentanstiegs-Beiwerte Cmα realisiert werden, desto größer ist die Reichweite des Lenkgeschosses.
- the steering floor has a speed, hereafter called the design speed, which is in the speed range of Mach 0.4 to 0.8, but also
- in a total speed range ranging from the design speed minus a Mach 0.1 speed up to the design speed plus Mach 0.1 speed. The larger the speed range for which low pitch torque increase coefficients C mα are realized, the greater the reach of the steering floor.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel jeweils ein Befestigungsende auf und der axiale Abstand zwischen den Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügeln, gemessen an der Mitte des Befestigungsendes, und dem Schwerpunkt S beträgt das 0,01-fache bis 1,0-fache des Kalibers. Innerhalb des angegebenen axialen Abstandsbereiches ist es möglich, dass der Nickmomentanstiegs-Beiwert Cmα des Lenkgeschosses auf kleine Werte reduziert werden kann.According to a further advantageous embodiment of the invention, the lateral moment reduction vanes each have an attachment end, and the axial distance between the side moment reduction vanes, measured at the center of the attachment end, and the center of gravity S is 0.01 times to 1.0 times the caliber. Within the specified axial distance range, it is possible that the pitch torque increase coefficient C mα of the steering floor can be reduced to small values.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ragt jeder Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel in ausgeklappter Stellung mit einer radialen Erstreckung über den Mantel des Lenkgeschosses hinaus, derart, dass die radiale Erstreckung das 0,8- bis 2-fache des Kalibers des Lenkgeschosses beträgt. Die Höhe der radialen Erstreckung der Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel über den Mantel des Lenkgeschosses hinaus ist ein wichtiger Parameter. Lange Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel erhöhen den Auftrieb, aber auch den Luftwiderstand. Ferner darf die lokale Geschwindigkeit an der äußeren Spitze der Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel nicht nahe Mach 1 sein, weil sonst der Luftwiderstand zu hoch wäre. Die lokale Geschwindigkeit an der äußeren Spitze der Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel legt man auf weniger als Mach 1 aus. So erklärt sich die angegebene radiale Erstreckung des 0,8- bis 2-fachen des Kalibers. Im Rahmen der Ausführungsbeispiele wird noch genauer hierauf eingegangen.According to a further advantageous embodiment of the invention, each side-moment reduction wing protrudes in the unfolded position with a radial extent beyond the mantle of the steering floor, such that the radial extent is 0.8 to 2 times the caliber of the steering floor. The amount of radial extension of the lateral moment reduction vanes beyond the mantle of the steering floor is an important parameter. Long side-moment reduction wings increase lift, but also drag. Further, the local velocity at the outer tip of the side-moment reduction vanes must not be close to
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel derart nach Propellerart verschränkt, dass zumindest während eines Abschnittes der Absinkflugphase rotatorische Energie in translatorische Energie umgesetzt wird und dass mindestens hierbei die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel drehfest mit dem Lenkgeschoss verbunden sind. Hierdurch erhöht sich zum einen die Reichweite, weil die translatorische Geschwindigkeit erhöht wird unter Abnahme der rotatorischen Geschwindigkeit. Ferner wird die Pseudo-Magnuskraft reduziert, weil das Flügelprofil dem örtlichen Geschwindigkeitsvektor folgt.According to a further advantageous embodiment, the lateral moment reduction wings are entangled in a propeller manner such that at least during a portion of the descent phase rotational energy is translated into translational energy and at least that the side moment reduction vanes are non-rotatably connected to the steering floor. hereby increases on the one hand the range, because the translational speed is increased with decreasing the rotational speed. Further, the pseudo-Magnus force is reduced because the wing profile follows the local velocity vector.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel rollentkoppelt gelagert. Die Rollentkoppelung der Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel reduziert die Drehrate der Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel und damit auch die Pseudo-Magnuseffekte, die von der Höhe der Drehrate der Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel abhängig sind.According to a further advantageous embodiment, the lateral moment reduction wings are mounted roller decoupled. The roll decoupling of the lateral moment reduction vanes reduces the yaw rate of the side moment reduction vanes, and hence the pseudo magnus effects, which are dependent on the magnitude of the yaw rate of the side moment reduction vanes.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Lenkgeschoss ausschließlich die Canard-Lenkflügel und die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel auf. Dies vereinfacht die Ausbildung und Auslegung des Lenkgeschosses.According to a further advantageous embodiment, the steering floor exclusively on the canard-wing and the side-moment reduction wing. This simplifies the training and design of the steering floor.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Canard-Lenkeinrichtung so ausgebildet, dass die Canard-Lenkflügeln ausfahrbar und einfahrbar sind. In der eingefahrenen Stellung ist der Luftwiderstand niedrig und die Reichweite erhöht. Eingefahren sind die Canard-Lenkflügel in der ballistischen Aufstiegsphase und auch während der Lenkphase, wenn keine Korrektur der Flugbahn notwendig ist.According to a further advantageous embodiment, the canard-steering device is designed so that the canard-steering wings are extendable and retractable. In the retracted position, the air resistance is low and the range increased. The Canard-Lenkflügel are retracted in the ballistic ascent phase and also during the steering phase, if no correction of the trajectory is necessary.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Hierbei zeigen jeweils als Prinzipskizzen:
-
Fig. 1 ein Lenkgeschoss mit Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügeln, in perspektivischer Darstellung; -
Fig. 2 das inFig. 1 gezeigte Lenkgeschoss mit Eintragungen für Erläuterungen, in der Vorderansicht; -
Fig. 3 einen Verlauf einer Flugbahn des in denFig. 1 und 2 gezeigten Lenkgeschosses.
-
Fig. 1 a steering column with lateral moment reduction wings, in perspective view; -
Fig. 2 this inFig. 1 shown steering column with entries for explanations, in front view; -
Fig. 3 a course of a trajectory of the inFig. 1 and 2 shown steering floor.
Die
Die Canard-Lenkeinrichtung 20 ist rollentkoppelt und über einen Axialmotor antreibbar. Ferner ist die Canard-Lenkeinrichtung 20 Teil eines Leit-, Navigations- und Kontrollsystems. Die Canard-Lenkeinrichtung 20 ist so ausgebildet, dass die Canard-Lenkflügel 21 mehr oder weniger weit ausfahrbar und einfahrbar sind. In der eingefahrenen Stellung ist der Luftwiderstand reduziert. In ausgefahrenen Stellungen eines Canard-Lenkflügels 21 werden Lenkkräfte erzeugt. Die Canard-Lenkflügel 21 werden eingesetzt, um den in
Die
Ballistische Aufstiegsphase B: Die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 sind während der Beschleunigung im Waffenrohr und des ballistischen Fluges bis zum Erreichen des Höhepunktes der Flugbahn in ihrer eingeklappten Stellung. Die rollentkoppelte Lenkeinrichtung 20 ist mit dem übrigen Lenkgeschoss 1 zunächst blockiert, so dass die rollentkoppelte Lenkeinrichtung 20 mit der gleichen Drehrate rotiert wie das übrige Lenkgeschoss 1. Alternativ kann die Lenkeinrichtung 20 bereits in der ballistischen Aufstiegsphase B rollentkoppelt sein. Das Lenkgeschoss 1 ist während der gesamten ballistischen Aufstiegsphase 8, bei der die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 eingeklappt sind, mit einer hohen Drehrate dralistabilisiert.Ballistic Ascension Phase B: The lateral
Aufklappphase K: Nahe hinter dem Höhepunkt der Flugbahn wird das Leit-, Navigations- und Kontrollsystem aktiviert. Die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 klappen auf. Die Drehblockade der Canard-Lenkeinrichtung 20 wird freigegeben. Das Leit-, Navigations- und Kontrollsystem berechnet einen Soll-Rollwinkel und stellt sicher, dass die Nase 2 des Lenkgeschosses 1 mit Hilfe des Axialmotors dem Soll-Rollwinkel folgt. Andere Konzepte einer Canard-Lenkeinrichtung ohne Axialmotor können auch eingesetzt werden, wobei Flügel der Canard-Lenkeinrichtung den Soll-Rollwinkel einstellen.Opening phase K: Close to the climax of the trajectory, the guidance, navigation and control system is activated. The lateral
Lenkphase G: Nach der Aufklappphase K sind die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 vollständig aufgeklappt. Während der Lenkphase G verbleiben die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 in ihrer vollständig aufgeklappten Stellung. Die Canard-Lenkeinrichtung 20 ist aktiv. Unter Beibehaltung eines gerechneten Rollwinkels werden Lenkkräfte dadurch erzeugt, dass die einzelnen Canard-Lenkflügel 21 mehr oder weniger weit ausgefahren oder eingefahren werden.Steering phase G: After the unfolding phase K, the lateral
Nachfolgend wird auf die
das Lenkgeschoss 1 eine Geschwindigkeit aufweist, die im Geschwindigkeitsbereich von Mach 0,4 bis 0,8 liegt,- die Seitenmomenten-Reduzierungs-
Flügel 10 sich in ihrer aufgeklappter Stellung befinden und - die Canard-
Lenkeinrichtung 20 keine Lenkmomente ausübt.
- the
steering column 1 has a speed which is in the speed range of Mach 0.4 to 0.8, - the lateral
moment reduction vanes 10 are in their unfolded position and - the
Canard steering device 20 exerts no steering torque.
Grundsätzlich gilt, wenn kein Seitenmoment auf ein drallstabilisiertes Lenkgeschoss 1 ausgeübt wird, Giermomente gleich null sind und keine Lenkung des Lenkgeschosses 1 erfolgt, wird theoretisch eine Gleichgewichtslage erreicht. In der Gleichgewichtslage bildet die Winkelstellung der Symmetrieachse r und der Geschwindigkeitsvektor v auf natürliche Art und Weise einen Anströmwinkel α, wobei der Geschwindigkeitsvektor v der Flugbahnkurve entsprechend der Gravitationskraft folgt. Der Anströmwinkel α ist keine konstante Größe und würde in der Lenkphase G zunehmen, wenn die Canard-Lenkeinrichtung keine korrigierende Lenkkräfte ausüben würde. Da sowohl der Auftrieb als auch der Luftwiderstand mit zunehmendem Anströmwinkel α ansteigen, gibt es einen optimalen Anströmwinkel α, der die Reichweite maximiert. Angenähert ist der optimale Anströmwinkel derjenige Anströmwinkel mit dem besten Auftriebs-zu-Luftwiderstands-Verhältnis.In principle, if no lateral moment is exerted on a spin-stabilized
Trotz der Seitenmomenten-Reduzlerungs-Flügel 10 verbleiben in der Praxis restliche kleine Nick- und Giermomente. Jedoch brauchen die Carlard-Lenkflügel 21 keine hohen Lenkmomente zu erzeugen, um einen optimalen Anströmwinkel α zwischen der Symmetrieachse r und dem Geschwindigkeitsvektor v einzustellen, damit große Reichweiten erzielt werden.Despite the lateral
Für ein besseres Verständnis zum Vorgenannten wird nachfolgend auf die Zerlegung der aerodynamischen Momente eingegangen. Bezogen auf die Symmetrieachse r kann das resultierende aerodynamische Moment in eine Roll-, Nick-, und Gierkomponente zerlegt werden. Das seitliche Nickmoment kann weiter in eine Summe eines statischen Terms, dem sogenannten statischen Nickmoment, einem Dämpfungsterm und einem dynamischen Term, dem sogenannten Pseudo-Magnusmoment, zerlegt werden. Entsprechendes gilt für das seitliche Giermoment. Die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 sind so angeordnet und ausgebildet, dass der statische Luftangriffspunkt D (hiermit ist der Luftangriffspunkt der statischen aerodynamischen Kräfte des Geschosses, sowohl die Luftwiderstands- als auch die Auftriebskräfte, gemeint) möglichst mit dem Schwerpunkt S des Geschosses 1 zusammenfällt, wenn die Canard-Lenkflügel 21 eingefahren sind. Dadurch gehen die statischen Nick- und Giermomente auf nahe null zurück. Als Nick- und Giermomente verbleiben nur noch die Dämpfungs- und Pseudo-Magnus-Terme, Die Dämpfungs-Terme der Nick- und Giermomente tragen zur Stabilität der Symmetrieachse r des Lenkgeschosses 1 bei. Die Pseudo-Magnus-Terme werden reduziert, indem entweder propellerartig verschränkte, nicht rollentkoppelte oder rollentkoppelte Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel verwendet werden, worauf nachfolgend noch eingegangen wird. Weil alle aerodynamischen Kräfte von der Machzahl abhängen, sind die statischen Nick- und Giermomente nur während eines Abschnittes der Absinkflugphase F nahe null.For a better understanding of the above, the following is the decomposition of the aerodynamic moments. With respect to the symmetry axis r, the resulting aerodynamic moment can be decomposed into a roll, pitch, and yaw component. The lateral pitching moment can be further decomposed into a sum of a static term, the so-called static pitching moment, a damping term and a dynamic term, the so-called pseudo-Magnusmoment. The same applies to the lateral yaw moment. The lateral
Wenn die statischen Nick- und Giermomente aufgrund der Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 nahe null sind und die Pseudo-Magnus-Momente reduziert sind, dann sind die gesamten seitlichen aerodynamischen Momente sehr klein und sehr reduziert im Vergleich zu einem klassischen 155-mm-Geschoss. In diesem Fall wird sich das Lenkgeschoss 1 fast wie ein perfekter Kreisel verhalten und die Symmetrieachse r des Lenkgeschosses 1 verbleibt nahezu in der gleichen Richtung. In der Absinkflugphase F hat man eine Situation mit einer nahezu konstant bleibenden Symmetrieachse r des Lenkgeschosses 1 und einer gekrümmten Flugbahn entsprechend der Schwerkraft. Auf natürliche Art und Weise stellt sich ein Anströmwinkel α ein, der dazu führt, dass das Lenkgeschoss 1 gleitet, in dem sich nach oben gerichtete, vertikale Auftriebskräfte am Lenkgeschoss ausbilden, so dass die Reichweite erhöht ist. Je kleiner der Neigungswinkel der Flugbahn Ist, desto größer ist die Reichweite.If the static pitch and yaw moments due to the lateral
Dies bestätigt die Theorie der klassischen Aeroballistik. In der klassischen Aeroballistik wird der Anströmwinkel α mit Hilfe der Summe von 3 drei Termen abgebildet: Erstens der Gleichgewichtsanstellwinkel-Term (in der englischsprachiger Fachliteratur ist der Gleichgewichtsanstellwinkel bezeichnet mit "yaw of repose"), zweitens der Präzessions-Term und drittens der Nutations-Term. Aus mathematischer Sicht ist der Gleichgewichtsanstellwinkel ("yaw of repose") eine komplexe Größe umfassend den senkrechten Anströmwinkel (im Englischen bezeichnet mit "vertical incidence angle") und den seitlichen Verschiebewinkel (im Englischen bezeichnet mit: "lateral sideslip angle"). Im Falle eines herkömmlichen ballistischen 155-mm-Geschosses ohne Canardflügel ist der Gleichgewithtsanstellwinkel ("yaw of repose") in der Nähe des Höhepunktes der Flugbahn ein seitlicher Verschiebewinkel ("lateral sideslip angle"), der zu einer seitlichen Verschiebekraft (im Englischen bezeichnet mit "lateral lift force") und damit zu einer seitlichen Ablenkung eines konventionellen ballistischen 155-mm-Geschosses führt. Da die statischen Seitenmomente auf Werte nahe null gebracht werden, wandelt sich theoretisch der seitliche Verschiebewinkel ("lateral sideslip angle") In einen vertikalen Anströmwinkel um, der die Reichweite erhöht.This confirms the theory of classical aerobalistics. In classical aerobalistics, the angle of attack α is mapped using the sum of 3 three terms: First, the equilibrium angle term (in the English-language literature, the equilibrium angle is denoted by "yaw of repose"), secondly the precession term, and thirdly the nutation angle. Term. From a mathematical point of view, the yaw of repose is a complex quantity comprising the vertical angle of incidence and the lateral angle of displacement. In the case of a conventional 155mm ballistic missile without canard wing, the yaw of repose near the cul-de-sac of the trajectory is a lateral sideslip angle which translates into a lateral displacement force "lateral lift force") and thus leads to a lateral deflection of a conventional ballistic 155 mm projectile. Since the static side moments are brought to values close to zero, in theory, the lateral sideslip angle translates into a vertical angle of attack, which increases the range .
In der Realität sind die aerodynamischen Momente von den Flugkonditionen abhängig. Es wäre möglich, die statischen aerodynamischen seitlichen Momente über eine lange Zeitdauer auf nahe Null zu halten, indem man während der Absinkflugphase F die Geometrie der Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 oder deren Pfeilungswinkel verändern würde. Dies würde jedoch zusätzliche Motoren benötigen, die das Lenkgeschoss 1 zu sehr verteuern und zu sehr verkomplizieren würden. Möglich ist es aber, die statischen seitlichen aerodynamischen Momente während eines Abschnittes der Flugkurve der Lenkungsphase G auf nahe null zu bringen.In reality, the aerodynamic moments are dependent on the flight conditions. It would be possible to keep the static aerodynamic lateral moments to near zero over a long period of time by varying the geometry of the side-
Um die statischen seitlichen aerodynamischen Momente auf nahe null zu reduzieren, werden die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 in Abhängigkeit von deren Flügelgröße und Geometrie an sorgfältig ermittelten Stellen am Lenkgeschoss 1 angeordnet. Zur Minimierung des Nick- und Giermomentes werden die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 leicht in den hinteren Schwerpunktbereich angeordnet, um das Moment der Normalkraft der Luftangriffskraft am Rumpf auszugleichen, deren Luftangriffspunkt im vorderen Schwerpunktbereich liegt. Die Position der Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 wird, wie vorher ausgeführt, für die Lenkphase G optimiert, die eine Unterschall-Flugphase ist. Die Ausbildung der Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 und die Ermittlung der genauen Anordnung der Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 erfolgt in mehreren Schritten:
- Eine erste Ausbildung und Anordnung von Seitenmomenten-Reduzierungs-
Flügeln 10 wird so gewählt, dass der Nickmomentanstiegs-Beiwert Cmα (pitching moment derivative coefficient) desLenkgeschoss 1 für einen ausgewählten Punkt der Flugbahn der Lenkphase gleich null ist. Der ausgewählte Punkt liegt in einem für großkalibrige Lenkgeschosse typischen Geschwindigkeitsbereich von Mach 0,4 bis 0,8. Die gewählte Geschwindigkeit, oder anders ausgedrückt, die Auslegungsgeschwindigkeit ist imvorliegenden Beispiel Mach 0,6. Alternativ hätte auch eine andere Auslegungsgeschwindigkeit im Geschwlndigkeitsbereich von Mach 0,4 bis 0,8 gewählt werden können. InFig. 3 sind zur Illustration die Punkte PV=M0,8, PV=M0,6 und PV=M0,4 eingezeichnet. - Weil die aerodynamischen Beiwert von der Machzahl abhängen, wird die erste Ausbildung und Anordnung von Seitenmomenten-Reduzierungs-
Flügel 10 derart optimiert, dass der Nickmomentanstiegs-Beiwert Cmα des Lenkgeschosses 1 nicht nur dann im Bereich von ± 0,5 liegt, wenndas Lenkgeschoss 1 seine Auslegungsgeschwindigkeit, die im Geschwindigkeitsbereich von Mach 0,4 bis 0,8 liegt, aufweist, sondern auch- In einem gesamten Geschwindigkeitsbereich, der von der Auslegungsgeschwindigkeit minus einer
Geschwindigkeit von Mach 0,1 bis zu der Auslegungsgeschwindigkeit plus einerGeschwindigkeit von Mach 0,1 reicht. Bezogen auf das vorliegende Beispiel bedeutet dies, das im gesamten Geschwindigkeitsbereich von Mach 0,5 bis Mach 0,7 die niedrigen Nickmomentanstiegs-Beiwert Cmα des Lenkgeschosses gelten.
- In einem letzten Schritt kann die Ausbildung und Anordnung der Seitenmomenten-Reduzierungs-
Flügel 10 noch derart weiter optimiert werden, dass möglichst niedrige Nickmomentanstiegs-Beiwerte Cmα des Lenkgeschosses für die gesamte Lenkphase G erzielt werden.
- A first design and arrangement of lateral
moment reduction vanes 10 is selected so that the pitch moment derivative coefficient C mα of thesteering floor 1 for a selected point of the trajectory of the steering phase is zero. The selected point is in a typical speed range of Mach 0.4 to 0.8 for large-caliber missiles. The selected speed, or in other words, the design speed is Mach 0.6 in the present example. Alternatively, a different design speed in the range of mach 0.4 to 0.8 could have been chosen. InFig. 3 For illustration, the points P V = M 0.8 , P V = M 0.6 and P V = M 0.4 are plotted . - Because the aerodynamic coefficient depends on the Mach number, the first design and arrangement of lateral
moment reduction vanes 10 is optimized such that the pitch momentum gain coefficient C mα of the steeringbullet 1 is not in the range of ± 0.5, only if- the
steering floor 1 has its design speed, which is in the speed range of Mach 0.4 to 0.8, but also - In an entire speed range ranging from the design speed minus a Mach 0.1 speed up to the design speed plus a Mach 0.1 speed. In relation to the present example, this means that in the entire speed range from Mach 0.5 to Mach 0.7, the low pitch torque increase coefficient C mα of the steering floor applies.
- the
- In a final step, the formation and arrangement of the lateral
moment reduction wings 10 can be further optimized such that the lowest possible pitch torque increase coefficients C mα of the steering floor for the entire steering phase G are achieved.
Die Werkzeuge zur Ausbildung und Anordnung der Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 sind:
- Verwendung von aerodynamischen Vorhersage-Computerprogrammen (semi-empirical aerodynamics prediction codes, aerodynamic coefficient estimation tools),
- Simulationen (computational fluid dynamics (CFD)- simulations),
- Windkanal-Messungen,
- Flugversuche im Freien.
- Use of semi-empirical aerodynamic prediction codes (aerodynamic coefficient estimation tools),
- Simulations (computational fluid dynamics (CFD) - simulations),
- Wind tunnel measurements
- Outdoor trials.
Wenn der Nickmomentanstiegs-Beiwert Cmα im Bereich zwischen -0,5 bis 0,5 liegt, dann ist auch der Abstand zwischen dem statischen Luftangriffspunkt D und dem Schwerpunkt S sehr klein. Dieser Abstand ist kleiner als das 0,05 -fache des Kalibers. Bezogen auf das Ausführungsbeispiel eines 155-mm-Geschosses ist der Abstand kleiner als 8 mm.If the pitch torque increase coefficient C mα is in the range of -0.5 to 0.5, then the distance between the static air attack point D and the center of gravity S is also very small. This distance is less than 0.05 times the caliber. Based on the embodiment of a 155 mm projectile, the distance is less than 8 mm.
Dies geht aus der nachfolgenden Formel hervor:
Hierbei sind:
- x der Abstand zwischen dem statischen Luftangriffspunkt D und dem Schwerpunkt S;
- d das Kaliber;
- Cmα der Nickmomentanstiegs-Beiwert (pitching moment derivative coefficient), der maximal ± 0,5 betragen soll, wobei in der Formel der obere positive Grenzwert in Höhe von 0,5 eingesetzt wurde;
- CNα der Normalkraftanstiegs-Beiwert (normal force derivative coefficient), der in
der Größenordnung von 10 liegt.
- x is the distance between the static air attack point D and the center of gravity S;
- d the caliber;
- C mα is the pitching moment derivative coefficient, which should be a maximum of ± 0.5, with the formula using the upper positive limit value of 0.5;
- C Nα is the normal force derivative coefficient, which is on the order of 10.
Wie in
Die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel sind so verschränkt, dass jeder Querschnitt eines Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel in einem Abstand von der Symmetrieachse r des Lenkgeschosses einen Winkel ai zur Achse gemäß folgender Gleichung bildet: tan ai = η W/V, wobei W der Drehgeschwindigkeit (in rad/s) und V der Geschossgeschwindigkeit entspricht. Beispiel für ein 155-mm-Geschoss bei V= 270 m/s und W = 628 rad/s (100 Hz):
- Der Winkel liegt
bei 10,15°am unteren Teil des Tragflügels (η = 0,0775 m). - Der Winkel beträgt 35,6° in einem Abstand des zweifachen Kalibers d von der Symmetrieachse r (η = 2d).
- The angle is 10.15 ° at the lower part of the wing (η = 0.0775 m).
- The angle is 35.6 ° at a distance of twice the caliber d from the symmetry axis r (η = 2d).
Das heißt, dass in jedem Abstand η von der Symmetrieachse r des Lenkgeschosses der Querschnitt des Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügels 10 kollinear zum Geschwindigkeitsvektor ist, der sich aus der Geschossgeschwindigkeit und der Umfangsgeschwindigkeit ergibt. Neben der Minimierung des Pseudo-Magnus-Momentes wird hiermit das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand verbessert. Bei der Reduzierung der Drehgeschwindigkeit kommt es zur Ausübung einer Zugkraft. Wenn während der Übergangsphase nach Ausfahren derSeitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 die Drehgeschwindigkeit höher als eine Ausgleichsrotationsgeschwindigkeit ist, wird das Lenkgeschoss 7. gezogen, bis die Ausgleichs-Rotationsgeschwindigkeit erreicht ist. Die Zugkraft an den Seftenmomenten-Reduzierungs-Flügeln 10 reduziert den Luftwiderstand am Lenkgeschoss 1 und verbessert das Auftriebs- zu Luftwiderstandsverhältnis, wodurch die Reichweite erhöht ist.That is, at each distance η from the axis of symmetry r of the steering bullet, the cross-section of the lateral
In Abweichung zum dargestellten Ausführungsbeispiel können die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 auch rollentkoppelt gelagert sein. Hierbei können die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 gerade, also nicht verschränkt, oder propellerartig verschränkt ausgebildet sein. Eine propellerartig verschränkte Ausführung wählt man, wenn die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 rollentkoppelt mit einer durch die propellerartige Verschränkung vorgegebenen niedrigen Ausgleichs-Rotationsgeschwindigkeit rotieren sollen. Durch die Rollentkopplung sind die Drehrate und damit der Pseudo-Magnuseffekt stark erniedrigt.In deviation from the illustrated embodiment, the lateral
Wie
Für den Fall, dass die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel nach Propellerart verschränkt und die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel drehfest mit dem Lenkgeschoss 1 verbunden sind, gilt, dass die lokale Geschwindigkeit an der äußeren Spitze der Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 sich vektoriell zusammensetzt aus der Geschossgeschwindigkeit und der Umfangsgeschwindigkeit entsprechend der Drehrate. Um Werte von weniger als Mach 1 an den äußeren Spitzen der Seltenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 zu erzielen, muss die Drehrate, die zu Beginn der Absinkflugphase bei 200 bis 250 Umdrehungen pro Sekunde (Hz) liegt, reduziert werden. Abhängig von der Geschossgeschwindigkeit ist eine Drehrate in der Größenordnung von 50 bis 100 Hz anzustreben. Dies erreicht man durch eine mehr oder weniger große propellerartige Verschränkung der Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel, die zu der gewünschten Ausgleichs-Rotationsgeschwindigkeit führt. Mit der reduzierten Drehrate erniedrigt sich die Kreiselstabilität des Lenkgeschosses. Deshalb ist die Drehrate unter Einbeziehung der aerodynamischen Charakteristiken und der Leistungsfähigkeit des Leit-, Navigations- und Kontrollsystem zum Stabilisieren des Lenkgeschoss zu optimieren.In the event that the side-moment reduction vanes are entangled in a propeller manner and the side-moment reduction vanes are non-rotatably connected to the steered
Im Falle von drehentkoppelten Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügeln ist die Drehrate dieser Flügel unabhängig von der Drehrate des übrigen Lenkgeschosses, so dass es nicht notwendig ist, die Drehrate des Lenkgeschosses zu reduzieren.In the case of torsionally coupled side-moment reduction vanes, the rate of rotation of these vanes is independent of the rate of rotation of the rest of the steering bullet, so that it is not necessary to reduce the rate of rotation of the stepladder.
Um einen Nickmomentanstiegs-Beiwert Cmα im Bereich zwischen -0,5 bis 0,5 zu erhalten, beträgt der axiale Abstand b der Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10, gemessen an der Mitte des Befestigungsendes, und dem Schwerpunkt S das 0,01-fache bis 1,0-fache des Kalibers d. Der axiale Abstand b wird auf der Höhe der Geschossmanteloberfläche gemessen.In order to obtain a pitch torque increase coefficient C mα in the range between -0.5 to 0.5, the axial distance b of the lateral
Der Abstand b fällt klein aus, wenn beispielsweise die radiale Erstreckung der Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 groß ist. Der Abstand b fällt groß aus, wenn beispielsweise die radiale Erstreckung der Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 klein ist.The distance b is small when, for example, the radial extent of the lateral
In
Die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 sind in der aufgeklappten Stellung gepfeilt angeordnet, wobei die Pfeilung in Flugrichtung zeigt. Alternativ kann die Pfeilung auch zum Heck zeigen. Alternativ können die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel 10 in der aufgeklappten Stellung auch im rechten Winkel zur Symmetrieachse r des Lenkgeschosses 1 angeordnet werden.The lateral
Wie
- 1 Lenkgeschoss1 steering floor
- 2 Nase2 nose
- 10 Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel10 side-moments reduction wings
- 20 Canard-Lenkeinrichtung20 Canard steering device
- 21 Canard-Lenkflügel21 Canard steering wings
- D statischer LuftangriffspunktD static air attack point
- S SchwerpunktS focus
- r Symmetrieachser symmetry axis
- v Geschwindigkeitsvektorv velocity vector
- α Anströmwinkelα angle of attack
- d Kaliberd caliber
- b axialer Abstand zwischen dem Schwerpunkt und der Mitte des angelenkten Endes eines Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügelsb Axial distance between the center of gravity and the center of the hinged end of a side torque reduction wing
- e radiale Erstreckung eines Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügelse Radial extension of a lateral moment reduction wing
- B ballistische AufstiegsphaseB ballistic rise phase
- F AbsinkflugphaseF descending phase
- K AufklappphaseK unfolding phase
- G LenkphaseG steering phase
- a Höhea height
- w Reichweitew range
- PV=M0,4 Punkt auf der Flugbahn, bei dem die Geschwindigkeit M 0,4 istP V = M0.4 point on the trajectory where the velocity M is 0.4
- PV=M0,6 Punkt auf der Flugbahn, bei dem die Geschwindigkeit M 0,6 istP V = M0.6 point on the trajectory where the velocity M is 0.6
- PV=M0,8 Punkt auf der Flugbahn, bei dem die Geschwindigkeit M 0,8 istP V = M0.8 point on the trajectory where the velocity M is 0.8
Claims (9)
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
characterized by the following features:
dass der Nickmomentanstiegs-Beiwert (Cmα) des Lenkgeschosses (1) nicht nur dann im Bereich von ± 0,5 liegt, wenn
that the pitching moment-increasing coefficient (C mα) of the steering projectile (1) not only in the range of ± 0.5 when
dass die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel (10) jeweils ein Befestigungsende aufweisen und das der axiale Abstand (b) zwischen den Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügeln (10), gemessen an der Mitte des Befestigungsendes und dem Schwerpunkt (S) dac 0,01-fache bis 1,0-fache des kalibers (d) beträgt.Steering floor according to claim 1 or 2, characterized
that the side torque-reduction blades (10) each having an attachment end and the axial distance (b) between the lateral torque-reduction blades (10) measured at the center of the attachment end and the center of gravity (S) dac 0.01 times up to 1.0 times the caliber (d).
dass jeder Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel (10) in ausgeklappter Stellung mit einer radialen Erstreckung (e) über den Mantel (3) des Lenkgeschosses (1) hinausragt, derart, dass die radiale Erstreckung (e) das 0,8- bis 2-fache des Kalibers (d) des Lenkgeschosses (1) beträgt.Steering floor (1) according to one of claims 1 to 3, characterized
that each side torque-reducing wing (10) protrudes in the deployed position with a radial extension (s) via the casing (3) of the steering projectile (1), such that the radial extent (e) 0.8 to 2 times the caliber (d) of the steering floor (1) amounts to.
dass die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel (10) derart nach Propellerart verschränkt sind, dass zumindest während eines Abschnittes in einer Absinkflugphase (F) rotatorische Energie in translatorische Energie umgesetzt wird und dass mindestens hierbei die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel (10) drehfest mit dem Lenkgeschoss (1) verbunden sind.Steering floor (1) according to one of claims 1 to 4, characterized
in that the lateral moment reduction vanes (10) are entangled in a propeller manner such that at least during one section in a descent phase (F) rotational energy is translated into translational energy and at least that the side moment reduction vanes (10) are rotationally fixed to the Steering floor (1) are connected.
dass die Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel (10) rollentkoppelt gelagert sind.Steering floor (1) according to one of claims 4 to 4, characterized
in that the lateral moment reduction vanes (10) are mounted roller decoupled.
dass das Lenkgeschoss (1) neben den Canard-Lenkflügeln (21) und den Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügeln (10) keine weiteren Flügel aufweist.Steering floor (1) according to one of claims 1 to 6, characterized
that the steering floor (1) next to the canard-guide vanes (21) and the side-moment reduction vanes (10) has no further wings.
dass die Canard-Lenkeinrichtung (20) so ausgebildet ist, dass die Canard-Lenkflügeln (21) ausfahrbar und einfahrbar sind.Steering floor (1) according to one of claims 1 to 7, characterized
in that the canard steering device (20) is designed so that the canard steering wings (21) can be extended and retracted.
dass Die Seitenmomementen-Reduzierungs-Flügel (10) so verschränkt sind, dass jeder Querschnitt eines Seitenmomenten-Reduzierungs-Flügel in einem Abstand von der Symmetrieachse r des Lenkgeschosses einen Winkel al zur Achse gemäß folgender Gleichung bildet: tan al = η W/V, wobei W der Drehgeschwindigkeit (in rad/s) und V der Geschossgeschwindigkeit entspricht.Steering floor (1) according to one of claims 1 to 8, characterized
in that the side-mum reduction vanes (10) are interlaced so that each cross-section of a side-moment reducing vane at an interval from the axis of symmetry r of the stub floor forms an angle a l to the axis according to the following equation: tan a l = η W / V, where W is the rotation speed (in radians / s) and V is the bullet velocity.
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