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Schubvektorsteuerung Eine ermöglicht Lenkbewegungen durch gezieltes Richten des Abgasstrahls eines Antriebs Sie wird mei

Schubvektorsteuerung

Eine Schubvektorsteuerung ermöglicht Lenkbewegungen durch gezieltes Richten des Abgasstrahls eines Antriebs. Sie wird meist bei militärischen Flugzeugen sowie Raketen eingesetzt, um die Manövrierfähigkeit zu verbessern. Dies kann durch Strahlruder, Ablenkflächen am Düsenaustritt oder Schwenken der ganzen Düse erreicht werden.

3D-Schubvektorsteuerung

Neben konventionell startenden Flugzeugen wird Schubvektorsteuerung auch bei Senkrechtstartern verwendet; hierbei wird das Flugzeug beim vertikalen Start vom senkrecht nach unten gelenkten Schub getragen. Für den Horizontalflug werden die Düsen in die entsprechende Position geschwenkt, um dem Flugzeug Vortrieb zu geben, der Auftrieb wird dann auf konventionelle Weise von den Flügeln erzeugt.

Technik Bearbeiten

Schubvektorsteuerung an einer Suchoi Su-35S

Notwendig ist eine Schubvektorsteuerung für Langstreckenraketen, da während der Startphase sowie im Vakuum des Weltraumes eine aerodynamische Steuerung nicht möglich ist. Bei kleineren Raketen und Kampfflugzeugen kann sie die Steuerruder unterstützen oder ersetzen, um die Wendigkeit zu erhöhen. Bei einem Flugzeug ermöglicht sie sehr viel höhere Anstellwinkel, so sind steuerbare Flugzustände jenseits des kritischen Anstellwinkels möglich. Beim deutsch-amerikanischen Projekt Rockwell-MBB X-31 wurden zum Beispiel Anstellwinkel bis zu 70° ohne Verlust der Kontrolle über das Flugzeug erreicht.

Größtes Problem bei der Serienfertigung von Luft- und Raumfahrzeugen mit 3D-Schubvektorsteuerung ist die thermische Belastung der Düsen, die nach Materialien verlangt, die erst seit Ende des 20. Jahrhunderts zu akzeptablen Preisen verfügbar sind.

2D- und 3D-Steuerung Bearbeiten

Erprobungsträger mit 3D-Schubvektorsteuerung: F/A-18 HARV, X-31, F-16 MATV

Die Schubvektorsteuerung wird in 2D- und 3D-Varianten unterschieden. Wird der Abgasstrahl nur in einer Ebene abgelenkt, bezeichnet man dies als 2D-Schubvektor, wohingegen bei einer in alle Richtungen schwenkbaren Düse man von einem 3D-Schubvektor spricht. Die Schubumkehr zum Abbremsen von Flugzeugen wird teilweise auch als eine Art 2D-Schubvektorsteuerung definiert und wird bereits seit Ende der 1950er Jahre in der zivilen Luftfahrt eingesetzt (das erste Zivilflugzeug mit einer serienmäßigen Schubumkehreinrichtung war die Boeing 707).

Eine der ersten Maschinen, die über eine 2D-Schubvektorsteuerung verfügten, war der britische Senkrechtstarter Hawker P.1127. Dieser bildete die Grundlage für die spätere Harrier, die ebenfalls die 2D-Schubvektorsteuerung für senkrechte Starts und Landungen verwendete. Da auch bei jeder beliebigen Zwischenstellung der Schubumlenkung gestartet werden kann, sind bei hohen Nutzlastanforderungen auch sogenannte jump-starts mit einer kurzen Anrollstrecke möglich. An Bord eines Flugzeugträgers kann dies unter Zuhilfenahme von „Sprungschanzen“ erfolgen. Bei modernen Kampfflugzeugen wird die 2D-Schubvektorsteuerung, neben den Vorteilen bei Starts und Landungen, primär zur Verbesserung der Luftkampffähigkeiten im „Dog Fight“ verwendet. Dabei werden die Nickbewegungen verbessert, sowie die Rollbewegungen, wenn die Maschine mindestens über zwei Triebwerke verfügt. Auf Gierbewegungen dagegen hat eine 2D-Schubvektorsteuerung keinerlei Auswirkungen. Das erste standardmäßig mit solch einer Steuerung ausgerüstete Serienkampfflugzeug war die 2005 in Dienst gestellte amerikanische F-22 Raptor.

Eine 3D-Schubvektorsteuerung lenkt den Schubstrahl auch in Gierbewegung, was eine enorme Manövrierfähigkeit erlaubt und somit entscheidende Vorteile im Luftnahkampf ermöglicht.

Die bereits seit 2002 ausgelieferte Su-30MKI der indischen Luftwaffe ist mit einer 3D-Schubvektorsteuerung ausgerüstet. Folgende Modelle sind mit einer 2D- oder 3D-Schubvektorsteuerung ausgerüstet.

VTOL Bearbeiten

Manövrierfähigkeit Bearbeiten

2D-Schubvektorsteuerung Bearbeiten

3D-Schubvektorsteuerung Bearbeiten

Technik bei Raketen Bearbeiten

Schubvektorsteuerung durch Schwenken der Düse bei einer Rakete

Bei Raketen haben sich hauptsächlich zwei Arten von Schubvektorsteuerungen durchgesetzt:

  • Schwenken des gesamten, kardanisch aufgehängten Raketentriebwerkes in zwei Achsen
  • Schwenken der Düse, dies wird überwiegend bei Feststoffboostern verwendet (zum Beispiel Space Shuttle Solid Rocket Booster), da ein Schwenken des gesamten Boosters nicht möglich ist.

Im Folgenden werden andere Arten der Schubvektorkontrolle aufgelistet, welche nur eine geringe Verbreitung erfahren haben:

  • Kleine schwenkbare Zusatztriebwerke, sogenannte Vernierdüsen (zum Beispiel Sojus)
  • Einspritzen von Flüssigkeit in den seitlichen Teil der Düse, durch das Verdampfen der Flüssigkeit wird die Ausdehnung der Verbrennungsgase beeinflusst und damit der Schubvektor manipuliert (UGM-27 Polaris).
  • Drehbares Strahlruder im Abgasstrom (A4)
  • Einpressen von Luft in den seitlichen Teil der Düse, durch die Druckänderung ändert sich auch der Schubvektor.
  • Die Abgase des Gasgenerators (ein Gerät, welches Treibstoff verbrennt um Energie für die Turbopumpen bereitzustellen) werden auf eine schwenkbare Düse geleitet, welche wiederum einen variablen Schubvektor erzeugt.

Aktuatoren Bearbeiten

Zum Schwenken der Düsen werden überwiegend hydraulische oder elektrische Aktuatoren verwendet. Bei sehr großen Triebwerken (jeweils die erste Stufe: Ariane 5, Delta IV, Atlas, Space Shuttle) werden aufgrund der benötigten hohen Kräfte hydraulische Aktuatoren verwendet. In den oberen Stufen (zum Beispiel der Ariane 5 und Delta IV) kommen elektrische Aktuatoren zur Verwendung, da diese energetisch effizienter zu nutzen und leichter zu lagern und zu installieren sind (kein Hydrauliköl).

Energiequellen für Schubvektorsysteme Bearbeiten

Als Energiequelle für hydraulische Schubvektoraktuatoren kommen zumeist chemisch angetriebene Pumpen zum Tragen (zum Beispiel Space Shuttle). Bei der Saturn-V-Rakete wurde das gesamte Schubvektorkontrollsystem vom Treibstoffsystem mit angetrieben, die ohnehin vorhandene Turbopumpe lieferte so die benötigte Energie und ersetzte ein separates Antriebssystem. Der Gewichtsersparnis stand jedoch die Anforderung gegenüber, dass das gesamte Hydrauliksystem, speziell die Dichtungen, kompatibel zum Treibstoff sein musste.

Ein anderer Energieträger für die Schubvektorkontrolle sind Hydraulikakkumulatoren. So setzt die Ariane 5 einen Kugeltank ein, welcher das Hydrauliköl enthält und durch Stickstoff unter Druck gesetzt wird. Der vorhandene Druck reicht aus, um genügend Energie für einen Start zur Verfügung zu stellen. Das aufgebrauchte Öl wird im Abgasstrahl verbrannt.

Plattformen Bearbeiten

Eine F-15 ACTIVE mit 3D-Schubvektorsteuerung
Liste von Kampfflugzeugen mit Schubvektorsteuerung
Muster Typ Bewegungs-
spielraum 		Triebwerk Lenkwirkung⁠1 Erstflug
F-15 S/MDT 2D 20° 2 × Pratt & Whitney F100-PW-200 2 × 23,6 kN September 1988
F-15 ACTIVE 3D 20° 2 × Pratt & Whitney F100-PW-299 2 × 28,7 kN März 1996
F-16 MATV 20° General Electric F110-GE-100 27,8 kN April 1992
F-16 Fighting Falcon
mit „AVEN“ 		20° General Electric F110-GE-129 28,7 kN Juli 1993
F/A-18 HARV 25° 2 × General Electric F404-GE-400 2 × 21,9 kN April 1987
F-22 Raptor 2D 20° 2 × Pratt & Whitney F119-PW-100 2 × 34,7 kN September 1997
Hawker Siddeley Harrier k. A. 1 × Rolls-Royce Pegasus-Mk-103-Mantelstromtriebwerk 2 × 95,65 kN Dezember 1967
X-31 EFM 3D k. A. General Electric F404-GE-400 – Oktober 1990
MiG-29OWT 15° vertikal

8° horizontal

2 × Klimow RD-133 2 × 14,7 kN 2003
Su-30MKI 15° vertikal

8° horizontal

2 × Saturn AL-31FP 2 × 20,5 kN Juli 1997
Su-35BM 15° vertikal
8° horizontal		 2 × Saturn-117S/AL-41F1A vertikal 2 × 23,7 kN
horizontal 2 × 12,6 kN 		Februar 2008
1 
Die Lenkwirkung einer Schubvektorsteuerung berechnet sich aus deren Bewegungsspielraum und der Schubkraft der Triebwerke. Sie wirkt orthogonal zur Flugachse und kann durch folgende Formel ermittelt werden:

FS … Lenkwirkung der Schubvektorsteuerung bei maximaler Auslenkung (in N)
FT … Maximale Schubkraft des Triebwerks im Nachbrennerbetrieb (in N)

B … Maximal möglicher Auslenkungswinkel der Schubvektorsteuerung (/°)

Siehe auch Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. (Memento vom 29. April 2011 im Internet Archive) (PDF; 3 MB)
  2. (Memento des Originals vom 3. März 2009 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/spaceflight.nasa.gov
  3. F-16.net
  4. Jane’s Aero Engines 2002
  5. NASA factsheet
  6. GlobalSecurity.com

Weblinks Bearbeiten

Commons: Schubvektorsteuerung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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Veröffentlichungsdatum:
Eine Schubvektorsteuerung ermoglicht Lenkbewegungen durch gezieltes Richten des Abgasstrahls eines Antriebs Sie wird meist bei militarischen Flugzeugen sowie Raketen eingesetzt um die Manovrierfahigkeit zu verbessern Dies kann durch Strahlruder Ablenkflachen am Dusenaustritt oder Schwenken der ganzen Duse erreicht werden 3D SchubvektorsteuerungNeben konventionell startenden Flugzeugen wird Schubvektorsteuerung auch bei Senkrechtstartern verwendet hierbei wird das Flugzeug beim vertikalen Start vom senkrecht nach unten gelenkten Schub getragen Fur den Horizontalflug werden die Dusen in die entsprechende Position geschwenkt um dem Flugzeug Vortrieb zu geben der Auftrieb wird dann auf konventionelle Weise von den Flugeln erzeugt Inhaltsverzeichnis 1 Technik 2 2D und 3D Steuerung 3 VTOL 4 Manovrierfahigkeit 4 1 2D Schubvektorsteuerung 4 2 3D Schubvektorsteuerung 5 Technik bei Raketen 5 1 Aktuatoren 5 2 Energiequellen fur Schubvektorsysteme 6 Plattformen 7 Siehe auch 8 Einzelnachweise 9 WeblinksTechnik Bearbeiten nbsp Schubvektorsteuerung an einer Suchoi Su 35SNotwendig ist eine Schubvektorsteuerung fur Langstreckenraketen da wahrend der Startphase sowie im Vakuum des Weltraumes eine aerodynamische Steuerung nicht moglich ist Bei kleineren Raketen und Kampfflugzeugen kann sie die Steuerruder unterstutzen oder ersetzen um die Wendigkeit zu erhohen Bei einem Flugzeug ermoglicht sie sehr viel hohere Anstellwinkel so sind steuerbare Flugzustande jenseits des kritischen Anstellwinkels moglich Beim deutsch amerikanischen Projekt Rockwell MBB X 31 wurden zum Beispiel Anstellwinkel bis zu 70 ohne Verlust der Kontrolle uber das Flugzeug erreicht Grosstes Problem bei der Serienfertigung von Luft und Raumfahrzeugen mit 3D Schubvektorsteuerung ist die thermische Belastung der Dusen die nach Materialien verlangt die erst seit Ende des 20 Jahrhunderts zu akzeptablen Preisen verfugbar sind 2D und 3D Steuerung Bearbeiten nbsp Erprobungstrager mit 3D Schubvektorsteuerung F A 18 HARV X 31 F 16 MATVDie Schubvektorsteuerung wird in 2D und 3D Varianten unterschieden Wird der Abgasstrahl nur in einer Ebene abgelenkt bezeichnet man dies als 2D Schubvektor wohingegen bei einer in alle Richtungen schwenkbaren Duse man von einem 3D Schubvektor spricht Die Schubumkehr zum Abbremsen von Flugzeugen wird teilweise auch als eine Art 2D Schubvektorsteuerung definiert und wird bereits seit Ende der 1950er Jahre in der zivilen Luftfahrt eingesetzt das erste Zivilflugzeug mit einer serienmassigen Schubumkehreinrichtung war die Boeing 707 Eine der ersten Maschinen die uber eine 2D Schubvektorsteuerung verfugten war der britische Senkrechtstarter Hawker P 1127 Dieser bildete die Grundlage fur die spatere Harrier die ebenfalls die 2D Schubvektorsteuerung fur senkrechte Starts und Landungen verwendete Da auch bei jeder beliebigen Zwischenstellung der Schubumlenkung gestartet werden kann sind bei hohen Nutzlastanforderungen auch sogenannte jump starts mit einer kurzen Anrollstrecke moglich An Bord eines Flugzeugtragers kann dies unter Zuhilfenahme von Sprungschanzen erfolgen Bei modernen Kampfflugzeugen wird die 2D Schubvektorsteuerung neben den Vorteilen bei Starts und Landungen primar zur Verbesserung der Luftkampffahigkeiten im Dog Fight verwendet Dabei werden die Nickbewegungen verbessert sowie die Rollbewegungen wenn die Maschine mindestens uber zwei Triebwerke verfugt Auf Gierbewegungen dagegen hat eine 2D Schubvektorsteuerung keinerlei Auswirkungen Das erste standardmassig mit solch einer Steuerung ausgerustete Serienkampfflugzeug war die 2005 in Dienst gestellte amerikanische F 22 Raptor Eine 3D Schubvektorsteuerung lenkt den Schubstrahl auch in Gierbewegung was eine enorme Manovrierfahigkeit erlaubt und somit entscheidende Vorteile im Luftnahkampf ermoglicht Die bereits seit 2002 ausgelieferte Su 30MKI der indischen Luftwaffe ist mit einer 3D Schubvektorsteuerung ausgerustet Folgende Modelle sind mit einer 2D oder 3D Schubvektorsteuerung ausgerustet VTOL BearbeitenBell Model 65 Bell X 14 Bell Boeing V 22 Boeing X 32 Dornier Do 31 EWR VJ 101 Harrier Jump Jet Hawker Siddeley Harrier McDonnell Douglas AV 8B Harrier II Lockheed Martin F 35B Lightning II Jakowlew Jak 36 Jakowlew Jak 38 Jakowlew Jak 141Manovrierfahigkeit Bearbeiten2D Schubvektorsteuerung Bearbeiten McDonnell Douglas F 15 STOL MTD experimentell Lockheed Martin F 22 Raptor nur Nicken und Rollen McDonnell Douglas X 36 nur Gieren 3D Schubvektorsteuerung Bearbeiten Suchoi Su 30MKI MKM MKA SM Suchoi Su 35S Suchoi Su 37 experimentell Suchoi Su 57 Mikojan Gurewitsch MiG 35 MiG 29OVT McDonnell Douglas F 15 ACTIVE experimentell 1993 1999 General Dynamics F 16 VISTA experimentell Rockwell MBB X 31 experimental McDonnell Douglas F 18 HARV experimentell Mitsubishi X 2 experimentell Technik bei Raketen Bearbeiten nbsp Schubvektorsteuerung durch Schwenken der Duse bei einer RaketeBei Raketen haben sich hauptsachlich zwei Arten von Schubvektorsteuerungen durchgesetzt Schwenken des gesamten kardanisch aufgehangten Raketentriebwerkes in zwei Achsen Schwenken der Duse dies wird uberwiegend bei Feststoffboostern verwendet zum Beispiel Space Shuttle Solid Rocket Booster da ein Schwenken des gesamten Boosters nicht moglich ist Im Folgenden werden andere Arten der Schubvektorkontrolle aufgelistet welche nur eine geringe Verbreitung erfahren haben Kleine schwenkbare Zusatztriebwerke sogenannte Vernierdusen zum Beispiel Sojus Einspritzen von Flussigkeit in den seitlichen Teil der Duse durch das Verdampfen der Flussigkeit wird die Ausdehnung der Verbrennungsgase beeinflusst und damit der Schubvektor manipuliert UGM 27 Polaris Drehbares Strahlruder im Abgasstrom A4 Einpressen von Luft in den seitlichen Teil der Duse durch die Druckanderung andert sich auch der Schubvektor Die Abgase des Gasgenerators ein Gerat welches Treibstoff verbrennt um Energie fur die Turbopumpen bereitzustellen werden auf eine schwenkbare Duse geleitet welche wiederum einen variablen Schubvektor erzeugt 1 Aktuatoren Bearbeiten Zum Schwenken der Dusen werden uberwiegend hydraulische oder elektrische Aktuatoren verwendet Bei sehr grossen Triebwerken jeweils die erste Stufe Ariane 5 Delta IV Atlas Space Shuttle werden aufgrund der benotigten hohen Krafte hydraulische Aktuatoren verwendet In den oberen Stufen zum Beispiel der Ariane 5 und Delta IV kommen elektrische Aktuatoren zur Verwendung da diese energetisch effizienter zu nutzen und leichter zu lagern und zu installieren sind kein Hydraulikol Energiequellen fur Schubvektorsysteme Bearbeiten Als Energiequelle fur hydraulische Schubvektoraktuatoren kommen zumeist chemisch angetriebene Pumpen zum Tragen zum Beispiel Space Shuttle 2 Bei der Saturn V Rakete wurde das gesamte Schubvektorkontrollsystem vom Treibstoffsystem mit angetrieben die ohnehin vorhandene Turbopumpe lieferte so die benotigte Energie und ersetzte ein separates Antriebssystem Der Gewichtsersparnis stand jedoch die Anforderung gegenuber dass das gesamte Hydrauliksystem speziell die Dichtungen kompatibel zum Treibstoff sein musste Ein anderer Energietrager fur die Schubvektorkontrolle sind Hydraulikakkumulatoren So setzt die Ariane 5 einen Kugeltank ein welcher das Hydraulikol enthalt und durch Stickstoff unter Druck gesetzt wird Der vorhandene Druck reicht aus um genugend Energie fur einen Start zur Verfugung zu stellen Das aufgebrauchte Ol wird im Abgasstrahl verbrannt Plattformen Bearbeiten nbsp Eine F 15 ACTIVE mit 3D SchubvektorsteuerungListe von Kampfflugzeugen mit Schubvektorsteuerung Muster Typ Bewegungs spielraum Triebwerk Lenkwirkung 1 ErstflugF 15 S MDT 2D 20 2 Pratt amp Whitney F100 PW 200 2 23 6 kN September 1988F 15 ACTIVE 3D 20 2 Pratt amp Whitney F100 PW 299 2 28 7 kN Marz 1996F 16 MATV 20 3 General Electric F110 GE 100 27 8 kN April 1992F 16 Fighting Falconmit AVEN 20 4 General Electric F110 GE 129 28 7 kN Juli 1993F A 18 HARV 25 5 2 General Electric F404 GE 400 2 21 9 kN April 1987F 22 Raptor 2D 20 2 Pratt amp Whitney F119 PW 100 2 34 7 kN September 1997Hawker Siddeley Harrier k A 1 Rolls Royce Pegasus Mk 103 Mantelstromtriebwerk 2 95 65 kN Dezember 1967X 31 EFM 3D k A General Electric F404 GE 400 Oktober 1990MiG 29OWT 15 vertikal 8 horizontal 2 Klimow RD 133 2 14 7 kN 2003Su 30MKI 15 vertikal 8 horizontal 2 Saturn AL 31FP 2 20 5 kN Juli 1997Su 35BM 15 vertikal8 horizontal 6 2 Saturn 117S AL 41F1A vertikal 2 23 7 kNhorizontal 2 12 6 kN Februar 20081 Die Lenkwirkung einer Schubvektorsteuerung berechnet sich aus deren Bewegungsspielraum und der Schubkraft der Triebwerke Sie wirkt orthogonal zur Flugachse und kann durch folgende Formel ermittelt werden F S F T B 90 displaystyle F S frac F T cdot B 90 nbsp FS Lenkwirkung der Schubvektorsteuerung bei maximaler Auslenkung in N FT Maximale Schubkraft des Triebwerks im Nachbrennerbetrieb in N B Maximal moglicher Auslenkungswinkel der Schubvektorsteuerung Siehe auch BearbeitenSchwenkrotorEinzelnachweise Bearbeiten Schubvektorsteuerung uber Gasgeneratorabgase Memento vom 29 April 2011 im Internet Archive PDF 3 MB Shuttle Antriebssystem fur die Schubvektorkontrolle Memento des Originals vom 3 Marz 2009 im Internet Archive nbsp Info Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht gepruft Bitte prufe Original und Archivlink gemass Anleitung und entferne dann diesen Hinweis 1 2 Vorlage Webachiv IABot spaceflight nasa gov F 16 net Jane s Aero Engines 2002 NASA factsheet GlobalSecurity comWeblinks Bearbeiten nbsp Commons Schubvektorsteuerung Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Schubvektorsteuerung amp oldid 236972544