Raketen und ballistische Raketen

Momente, die durch verschiedene Schub-Kardanwinkel erzeugt werden

Animation der Bewegung einer Rakete, während der Schub durch Betätigen der Düse vektorisiert wird

Graphitauspuffschaufeln an der Düse eines V-2-Raketenmotors

Nominell ist die Aktionslinie des der Schubvektor einer Raketendüse durchläuft den Massenschwerpunkt des Fahrzeugs und erzeugt ein Nettomoment von Null um den Massenschwerpunkt. Es ist möglich, Pitch- und Giermomente zu erzeugen, indem der Hauptraketenschubvektor so abgelenkt wird, dass er nicht durch das Massenzentrum verläuft. Da die Wirkungslinie im Allgemeinen nahezu parallel zur Wankachse ausgerichtet ist, erfordert die Wanksteuerung normalerweise die Verwendung von zwei oder mehr separat schwenkbaren Düsen oder eines separaten Systems insgesamt, wie Rippen oder Schaufeln in der Abgasfahne des Raketentriebwerks, die den Hauptschub ablenken. Schubvektorsteuerung (TVC) ist nur möglich, wenn das Antriebssystem Schub erzeugt; separate Mechanismen sind für die Lage- und Flugwegsteuerung während anderer Flugphasen erforderlich.

Schub-Vectoring kann mit vier grundlegenden Mitteln erreicht werden:

• Kardanischer Motor (e) oder Düse (n)
• Reaktive Flüssigkeitseinspritzung
• Hilfs- „Vernier“ -Triebwerke
• Abgasschaufeln, auch als Strahlschaufeln bekannt

Kardanischer thrustEdit

Schub-Vectoring für viele Flüssigkeitsraketen wird durch Kardanisieren des gesamten Motors erreicht. Dies beinhaltet das Bewegen der gesamten Brennkammer und der äußeren Motorglocke wie bei den beiden Motoren der ersten Stufe des Titan II oder sogar der gesamten Motorbaugruppe einschließlich der zugehörigen Kraftstoff- und Oxidationsmittelpumpen. Die Saturn V und das Space Shuttle verwendeten kardanische Motoren.Ein späteres Verfahren, das für ballistische Festtreibstoffraketen entwickelt wurde, erreicht Schubvektorisierung, indem nur die Düse der Rakete mit elektrischen Aktuatoren oder Hydraulikzylindern abgelenkt wird. Die Düse ist über ein Kugelgelenk mit einem Loch in der Mitte oder eine flexible Dichtung aus einem hitzebeständigen Material am Flugkörper befestigt, wobei letzteres im Allgemeinen mehr Drehmoment und ein Betätigungssystem mit höherer Leistung erfordert. Die Trident C4- und D5-Systeme werden über eine hydraulisch betätigte Düse gesteuert. Die STS SRBs verwendeten kardanische Düsen.

Treibstoffeinspritzungbearbeiten

Eine andere Methode des Schubvektorisierens, die bei ballistischen Festtreibstoffraketen verwendet wird, ist die Flüssigkeitsinjektion, bei der die Raketendüse fixiert ist, aber eine Flüssigkeit aus Injektoren, die um das hintere Ende der Rakete montiert sind, in den Abgasstrom eingeführt wird. Wenn die Flüssigkeit nur auf einer Seite des Flugkörpers eingespritzt wird, modifiziert sie diese Seite der Abgasfahne, was zu unterschiedlichem Schub auf dieser Seite und einer asymmetrischen Nettokraft auf den Flugkörper führt. Dies war das Kontrollsystem, das auf dem Minuteman II und den frühen SLBMs der United States Navy verwendet wurde.

Vernier thrusterbearbeiten

Mit mehreren Vernier Thrustern, kleinen Hilfsbrennkammern, die keine eigenen Turbopumpen haben und auf einer Achse schwenken können, kann ein ähnlicher Effekt wie das Schubvektorisieren erzielt werden. Diese wurden bei den Atlas- und R-7-Raketen verwendet und werden immer noch bei der Sojus-Rakete verwendet, die von der R-7 abstammt, aber aufgrund ihrer Komplexität und ihres Gewichts selten bei neuen Designs verwendet wird. Diese unterscheiden sich von Reaction Control System-Triebwerken, bei denen es sich um feste und unabhängige Raketentriebwerke handelt, die zum Manövrieren im Weltraum verwendet werden.

Exhaust vanesEdit

Eine der frühesten Methoden der Schubvektorisierung in Raketentriebwerken bestand darin, Flügel in den Abgasstrom des Motors zu platzieren. Diese Abgasschaufeln oder Strahlschaufeln ermöglichen es, den Schub abzulenken, ohne Teile des Motors zu bewegen, verringern jedoch den Wirkungsgrad der Rakete. Sie haben den Vorteil, dass Rollkontrolle mit nur einem einzigen Motor, die Düse Kardanisch nicht. Der V-2 verwendete Graphitauspuffschaufeln und aerodynamische Schaufeln, ebenso wie der Redstone, der vom V-2 abgeleitet wurde. Die Sapphire- und Nexo-Raketen der Amateurgruppe Copenhagen Suborbitals sind ein modernes Beispiel für Strahlschaufeln. Strahlschaufeln müssen aus einem feuerfesten Material bestehen oder aktiv gekühlt werden, um ein Schmelzen zu verhindern. Sapphire verwendete massive Kupferschaufeln für die hohe Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit von Kupfer, und Nexo verwendete Graphit für seinen hohen Schmelzpunkt, aber wenn sie nicht aktiv gekühlt werden, werden Strahlschaufeln einer erheblichen Erosion ausgesetzt sein. Dies, kombiniert mit der Ineffizienz der Strahlschaufeln, schließt ihre Verwendung in neuen Raketen größtenteils aus.

Taktische Raketen und kleine Geschossebearbeiten

Einige kleinere atmosphärische taktische Raketen, wie die AIM-9X Sidewinder, meiden Flugsteuerflächen und verwenden stattdessen mechanische Flügel, um Motorabgase auf eine Seite abzulenken.

Schubvektorisierung ist eine Möglichkeit, die Mindestreichweite eines Flugkörpers zu verringern, vor der er keine Geschwindigkeit erreichen kann, die hoch genug ist, damit seine kleinen aerodynamischen Oberflächen ein effektives Manövrieren ermöglichen. Beispielsweise verwenden Panzerabwehrraketen wie die ERYX und die PARS 3 LR aus diesem Grund Schubvektorisierung.

Einige andere Geschosse, die Schub-Vectoring verwenden:

• 9M330
• Strix mortar round verwendet zwölf midsection Lateral Thruster-Raketen, um Kurskorrekturen am Terminal vorzunehmen
• AAD verwendet Strahlschaufeln
• QRSAM verwendet Strahlschaufeln
• MPATGM verwendet Strahlschaufeln
• Barak 8 verwendet Strahlschaufeln
• A-Darter verwendet Strahlschaufeln
• ASRAAM verwendet Strahlschaufeln/li>
• R-73 (Rakete) verwendet Strahlschaufeln
• HQ-9 verwendet Strahlschaufeln
• PL-10 (ASR) verwendet Strahlschaufeln
• MICA (Rakete) verwendet Strahlschaufeln
• PARS 3 LR verwendet Strahlschaufeln
• Die Aster-Raketenfamilie kombiniert aerodynamische Kontrolle und den direkten Schubvektor steuerung namens „PIF-PAF“
• AIM-9X verwendet vier Strahlschaufeln im Auspuff, die sich bewegen, wenn sich die Lamellen bewegen.
• 9M96E verwendet ein gasdynamisches Steuersystem ermöglicht Manöver in Höhen von bis zu 35 km bei Kräften von über 20g, die den Einsatz von nicht-strategischen ballistischen Raketen ermöglicht.
• 9K720 Iskander wird während des gesamten Fluges mit gasdynamischen und aerodynamischen Steuerflächen gesteuert.

AircraftEdit

Die meisten derzeit in Betrieb befindlichen vektorisierten Schubflugzeuge verwenden Turbofans mit rotierenden Düsen oder Schaufeln, um den Abgasstrom abzulenken. Diese Methode kann den Schub um bis zu 90 Grad relativ zur Flugzeugmittellinie erfolgreich ablenken. Der Motor muss jedoch eher für den vertikalen Auftrieb als für den normalen Flug ausgelegt sein, was zu einer Gewichtsstrafe führt. Nachverbrennung (oder Plenumkammer Brennen, PCB, im Bypass-Strom) ist schwierig zu integrieren und ist unpraktisch für Start und Landung Schub Vectoring, weil die sehr heißen Abgase können Start- und Landebahn Oberflächen beschädigen. Ohne Nachverbrennung ist es schwierig, Überschallfluggeschwindigkeiten zu erreichen. Ein neuer Motor, der Bristol Siddeley BS100, wurde 1965 eingestellt.

Tiltrotor Flugzeug Vektorschub über rotierende Turboprop-Triebwerksgondeln. Die mechanische Komplexität dieser Konstruktion ist ziemlich problematisch, einschließlich des Verdrehens flexibler interner Komponenten und der Kraftübertragung der Antriebswelle zwischen Motoren. Die meisten aktuellen Tiltrotor-Designs verfügen über zwei Rotoren in einer Side-by-Side-Konfiguration. Wenn ein solches Fahrzeug so geflogen wird, dass es in einen Wirbelringzustand eintritt, tritt einer der Rotoren immer etwas vor dem anderen ein, wodurch das Flugzeug eine drastische und ungeplante Rolle ausführt.

Das Luftschiff Delta der britischen Armee vor dem 1. Weltkrieg, ausgestattet mit schwenkbaren Propellern

Thrust Vectoring wird auch als Steuermechanismus für Luftschiffe verwendet. Eine frühe Anwendung war das Luftschiff Delta der britischen Armee, das erstmals 1912 flog. Es wurde später auf HMA (His Majesty’s Airship) No. 9r, einem britischen starren Luftschiff, das erstmals 1916 flog, und dem Zwilling der 1930er Jahre US verwendet. Marine starre Luftschiffe USS Akron und USS Macon, die als Flugzeugträger in der Luft verwendet wurden, und eine ähnliche Form des Schubvektorisierens ist heute auch besonders wertvoll für die Steuerung moderner nicht starrer Luftschiffe. Bei dieser Verwendung wird der größte Teil der Last normalerweise durch Auftrieb unterstützt, und vektorisierter Schub wird verwendet, um die Bewegung des Flugzeugs zu steuern. Das erste Luftschiff, das ein auf Druckluft basierendes Steuerungssystem verwendete, war Enrico Forlaninis Omnia Dir in den 1930er Jahren.

Ein Entwurf für einen Jet mit Schubvektor wurde 1949 von Percy Walwyn beim britischen Luftfahrtministerium eingereicht; Walwyns Zeichnungen sind in der National Aerospace Library in Farnborough aufbewahrt. Das offizielle Interesse wurde eingeschränkt, als festgestellt wurde, dass der Designer ein Patient in einer Nervenheilanstalt war.Fluidic Thrust Vectoring (FTV) wird derzeit erforscht und lenkt den Schub über sekundäre fluidische Injektionen ab. Tests zeigen, dass Luft, die in den Abgasstrom eines Strahltriebwerks gedrückt wird, den Schub um bis zu 15 Grad ablenken kann. Solche Düsen sind wegen ihrer geringeren Masse und Kosten (bis zu 50% weniger), Trägheit (für ein schnelleres, stärkeres Steuerverhalten), Komplexität (mechanisch einfacher, weniger oder keine beweglichen Teile oder Oberflächen, weniger Wartung) und Radarquerschnitt für Stealth wünschenswert. Dies wird wahrscheinlich in vielen unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) und Kampfflugzeugen der 6. Generation verwendet.