DE2455341C3 - Verfahren zur Ermittlung des Windprofiles von Höhenwinden - Google Patents

Description

Eine Messung von unterschiedlichen vertikalen Winden ist hierbei kaum möglich. Im übrigen läßt sich das Verfahren nur bei klarer Witterung und über einen begrenzten Höhenbereich anwenden.

Ein weiteres, ebenfalls in dieser Veröffentlichung beschriebenes Verfahren besteht darin, eine entsprechende säulenartige Düppelwolke mittels einer kleinen Rakete zu erzeugen und die Bewegung der Säule mittels Radar und einem Dopplerverfahren zu verfolgen. Praktische Erprobungen dieses Vefahrea« haben jedoch gezeigt, daß sich hiermit Daten über den erwünschten Höhenbereich oder mit einer erwünschten räumlichen Auflösung nicht erhalten lassen.

Ähnliches gilt für ein Verfahren, bei dem eine Säule von ionisierter Luft mittüs eines vertikalgerichteten Brennelementes gebildet wird, die man anschließend mit Radar vermißt. Bei diesem im Jahr 1965 versuchsweise durchgeführten Verfahren können höhere Schichten nicht vermessen werden; vgl. IEEE Transactions on Nuclear Science, April 1966, S. 54.

Ein Verfahren zur Windmessung mittels Rauchstreifen ist des weiteren in der DE-AS 1 648 182 beschrieben. Auch in diesem Falle reicht der ver-neßbare Bereich lediglich bis zu Höhen von ca. einem Kilometer.

Für eine genaue Messung der Windgeschwindigkeiten über mehrere Kilometer ist man daher im wesentlichen auf Verfahren angewiesen, bei denen die Flugbahneines Körpers vermessen wird; hiermit sind noch am raschesten brauchbare Ergebnisse erziel- m bar.

Ein solches Verfahren ist in der DE-AS 1 008939 beschrieben. Hier wird eine Abwurfsonde von einem Flugzeug abgeworfen und fällt mit einem Fallschirm zur Erde, wobei die von der Rakete ermittelten me- J5 teorologischen Daten zum Flugzeug gesendet und dort empfangen werden, bis die Sonde am Erdboden angekommen ist. Dieses auf die Einsatzhöhe des Flugzeuges beschränkte Verfahren hat ebenfalls den Nachteil einer sehr großen Meßdauer und ist sehr aufwendig. Schließlich ir* insbesondere bei militärischen Operationen ein derartiger Flug nicht risikolos.

Ein weiteres Verfahren ist die Messung der Luftgeschwindigkeit mittels einer akustischen Sonde, wie sie in der DE-AS 1 965 126 beschrieben ist. Hierbei werden vom Boden ausgesandte Schallsignale an Lufttur · bulenzen reflektiert und über die Dopplerverschiebung ausgewertet. Die Genauigkeit dieses Verfahrens ist insbesondere bei laminaren horizontal verlaufenden Strömungen gering.

Auch ein in der Zeitschrift »Air et Cosmos«, Heft Nr. 520, vom 9. März 1974. auf Seite 35 vorgestelltes neues Geräf für die Bestimmung von Windgeschwindigkeiten benötigt eine sehr große Vermeßzeit. Hierbei wird eine Ballonsonde üblicher Bauart, die mit einem Radarreflektor versehen ist, vom Boden mittels eines transportablen Radargerätes bei ihrem Aufstieg verfolgt. Während der langen Meßzeit können sich die Windverhältnisse wiederum erheblich ändern. Ein weiterer Nachteil beruht darin, daß das Aufblasen des &o Ballons mit Wasserstoff ebenfalls zeitraubend und zudem die Herstellung und Mitführung des hierfür benötigten Wasserstoffes aufwendig ist.

Es besteht daher ein erhebliches Bedürfnis für ein einfaches und rasch durchführbares Verfahren zur Bestimmung von Windprofilen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zur Bestimmung eines Windprofils anzugeben, bei dem die hierzu notwendige Vermessungszeit des diskreten Körpers und damit die gesamte für das Verfahren benötigte Meßzeit wesentlich verkürzt wira.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Auf diese Weise können erstmals Windprofile über 10 bis 20 Kilometer Höhe innerhalb einer Zeitdauer von 2 bis 4 Minuten gemessen werden. Bei einer militärischen Anwendung ergeben sich hierdurch bedeutende taktische Vorteile, da in diesem Fall die Wahrscheinlichkeit groß ist, daß das tatsächliche Windprofil zum Zeitpunkt des Abschusses einer ballistischen Rakete noch demjenigen entspricht, das kurze Zeit zuvor gemessen und in der Rampenstellung berücksichtigt wurde. Auch für den meteorologischen Bereich ergeben sich erhebliche Vorzüge. Dies gilt sowohl für den Zeitaufwand bei der Messung, als au^h für die Ergebnisse, die nahezu eine momentane Verteilung der Windgeschwindigkeiten wiedergeben.

Prinzipiell können als diskrete Körper auch Kapseln mit Metallpulver oder Düppeln, die in die jeweiligen Luftschichten freigegeben werden, oder von der Rakete ausgestoßene Ballons verwendet werden. Düppelwolken weisen allerdings eine sehr geringe Sinkgeschwindigkeit auf, während Ballons wiederum den Vorteil aufweisen, daß ihre Steiggeschwindigkeit unabhängig von der Luftdichte ist, solange keine vertikalen Winde herrschen. Auch die ausgebrannte Rakete kann als einer der diskreten Körper verwendet werden. Sie wird hierbei mit einem Fallschirm zur Erde zurückgeführt.

Auf die Vermessung der von dem Wind beeinflußten Flugbahnen der einzelnen diskreten Körper mit. Hilfe elektromagnetischer Wellen wird im folgenden nicht näher eingegangen, da diese in bekannter Weise erfolgt. Insbesondere eine rasterartige Vermessung der Flugbahnen der einzelnen Körper mittels Radar lediglich durch Bestimmung der Ortskoordinaten der diskreten Körper hat sich hierbei als besonders geeignet erwiesen. Da die zur Vermessung zur Verfügung stehende Zeit wegen der relativ geringen Geschwindigkeit der diskreten Körper verhältnismäßig lang ist, ist es im allgemeinen nicht nötig, zusätzliche Dopplermessungen zu tätigen. In erdnahen Bereichen ist auch eine optische Verfolgung möglich. Die bei der Vermessung gewonnenen Daten werden einem Rechner eingegeben. Der Rechner bestimmt aus diesen Werten das Windprofil der Höhenwinde nach Geschwindigkeit und Richtung, wobei die normale Sinkgeschwin digkeit der jeweils verwendeten diskreten Körper in Abhängigkeit von der Höhe bzw. der Luftdichte berücksichtigt wird.

Bei einer Anwendung des erfindungsgemnßen Verfahrens im militärischen Bereich, beispielsweise zur Berücksichtigung des Windeinflusses beim Abschuß ballistischer Rakeln, kann der Rechner die Daten liefern, die eine automatische Nachführung der Startrampe während des Countdowns entsprechend dem ermittelten Windprofil ermöglicht- Da die Messung der Windgeschwindigkeiten in den verschiedenen Höhen bei Durchführung des Verfahrens innerhalb eines sehr kurzen Zeitraumes durchführbar ist, verringert sich die Gefahr, daß sich die Windgeschwindigkeiten zum Zeitpunkt des Abschusses bereits er-

heblich geändert haben.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei stellt dar

Fig. 1 eine nicht maßstabsgerechte Prinzipdarstellung eines Verfahrens zur Bestimmung des höhenab-' häiigigen Windprofils,

Fig. 2 schematisch einen Flugkörper, der bei dem Verfahren benutzt wird,

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Prinzipschaltung zur Bestimmung des Windprofils,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines Flugkörpers, und

Fig. 5 einen Flugkörper gemäß Fig. 4 nach der Zerlegung.

Zur Bestimmung des höllenabhängigen Windprofils wird eine kleine Rakete 1 verwendet, die aus einem Triebwerkteil 11, der ein schnell brennendes einstufiges Triebwerk enthält, und einem Teil 12 besteht, der eine Mehrzahl von diskreten Körpern 13, aufnimmt. Diese bestehen aus einem Fallschirm 14 und einer an diesem hängenden, als Radarreflektor dienenden Luneburg-Linse 15. Die Rakete 1 wird senkrecht oder schräg - vgl. die Bezugsziffer 1' - gestartet, erreicht nach kurzer Zeit die mit 2 bezeichnete Gipfelhöhe und fällt danach frei gegen die Erdoberfläche, in bestimmten Zeitpunkten, die mittels eines in der Raketenspitze angeordneten Zeitwerkes 16 vorgegeben sind, werden die diskreten Körper 13 aus der Rakete ausgestoßen. Diese selbst wird danach schließlich mittels Fallschirm abgebremst und erreicht die Erdoberfläche.

Es ist ebenfalls möglich, daß bereits im Bereich der Gipfelhöhe 2 der Triebwerkteil 11 von dem Teil 12 getrennt wird, und daß der Triebwerkteil mit Fallschirmen zur Erde zuriickgeleitet wird, während der z. B. durch ausklappbare Stabilisierungsflossen aerodynamisch stabil gehaltene Teil 12, wie oben beschrieben, im freien Fall absinkt.

Ein Radargerät 17 auf einem Fahrzeug 18 schwenkt den gesamten Höhenbereich ab, in dem die Körper 13 ausgestoßen wurden und erfaßt sukzessive deren Ortskoordinaten. Diese werden gespeichert und diener! bfirn närhctpn Ahciirhpn ripc Rprpirhpc da-r\\_t Hip Antennenrichtung voreinzustellen, damit die Körper 13 rascher erfaßt werden.

Der geschilderte Absuchvorgang wird zyklisch wiederholt, so daß mit der nach einigen Zyklen möglichen Auswertung die Bahnender Körper 13 ein Raster von Meßwerten ergeben und durch Interpolation der gewonnenen diskreten Meßwerte das Windprofil über den gesamten Meßbereich liefern. Diese Meßmethode gestattet es, daß die Koordinaten der einzelnen diskreten Körper 13 bei ihrem Ausstoß beliebig sein können, so daß die Rakete 1 weder beim Aufstieg noch beim Herunterfallen eine Sollflugbahn einzuhalten braucht.

Für die Schwenkung der Antenne 31 des Radargerätes ist ein Motor 32 mit gekoppeltem Winkelgeber 33 vorgesehen, welcher den Winkel w zwischen Antennenrichtung und einer Referenzrichtung angibt; vgl. Fig. 3. Dieser Winkel wird jeweils einem Sinus- und einem Cosinuswandler, 34 bzw. 35, zugeführt, deren Ausgänge mit einem Eingang jeweils eines Multiplikators, 36 bzw. 37, verbunden sind.

In einer Schaltung 38 wird die Laufzeit A t des verstärkten, von den Luneburg-Linsen 15 reflektierten Radarsignals zwischen Antenne und Luneburg-Linse bestimmt und mit der Lichtgeschwindigkeit c multipliziert. Damit ist die Entfernung r zu den Fallschirmen bekannt. Dieser Meßwert wird den zweiten Eingängen der Multiplikatoren 36 und 37 zugeführt, an deren Ausgängen die Ortskoordinaten χ und y des

angemessenen Fallschirmes 13 anliegen. Diese werden Z. B. einem .v-y-Schreiber 39 eingegeben, auf dem das Windprofil direkt aufgetragen wird wird. Außerdem werden die Meßsverte χ und y einem Rechner 40 zugeführt, in dem das Windprofil berechnet wird

ίο und an dessen Ausgängen Steuersignale für die Korrektur der Einstellung einer Startrampe für eine ballistische Rakete abgenommen werden können.

In Fig. 1 ist das gemessene Windprofil schcnatisch durch die aus der Interpolation der gesamten Meßwerte gewonnene Verbindungslinie dargestellt.

Es ist für eine exakte und schnelle Bestimmung des Windprofils auch für den angedeuteten militärischen Zweck ausreichend, wenn die diskreten Körper etwa

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kann hiermit über eine Höhe von 10 bis 20 km, was etwa dem Flughöhenbereich der ballistischen Mittelstreckenraketen entspricht, mittels 10 bis 20 Fallschirmen und Radarreflektoren innerhalb von 2 bis 4 Minuten vermessen werden.

Außer den horizontalen Beträgen der höhenabhängigen Windgeschwindigkeiten können z. B. für die Einstellung der Startrampe von ballistischen Raketen noch dU vertikalen Komponenten bedeutend sein.

Um diese zu erfassen, weist der Teil 12 der Rakete 1, wie in Fig. 2 angedeutet, zwei Meßstellen 19 und 20 für die Messung (!es statischen Druckes ρ und der Temperatur T auf. Aus den hier ermittelten und zur Bodenstation gesendeten Meßwerten kann in dem Rechner 40 die jeweilige Luftdichte und aus dieser, da durch sie in bekannter Weise die Sinkgeschwindigkeit der Fallschirme 14 beeinflußt wird, die vertikalen Windgeschwindigkeiten berechnet werden.

Im allgemeinen werden die einzelnen diskreten Körper nicht nur über ihre jeweilige Meßstrecke erfaßt, die in dem hier beschriebenen Fall etwa 1000 Meter beträgt; vielmehr ist es für bestimmte EinsatzmöglirhVpitpn 7we.ckmäßie. die einzelnen diskreten Körper jeweils bis zu ihrem Aufschlag am Erdboden zu verfolgen. Die meisten Meßstrecken werden dadurch mehrmals vermessen, so daß das Windprofil auch in seinem zeitlichen Verlauf bekannt ist, und damit die niederfrequenten Turbulenzen der einzelnen Luftschichten bestimmt werden. Mit diesen Werten ist z. B. eine Feinkorrektur der Rampeneinteilung für Mittelstreckenraketen möglich.

Anstatt die einzelnen diskreten Körper beir.j Herunterfallen der ausgebrannten Rakete auszustoßen, ist es möglich, den Flugkörper derart zu modifizieren, daß der obere Teil 12 aus den einzelnen diskreten Körpern besteht; vgl. Fig. 4. Sobald die Rakete die Gipfelhöhe erreicht hat, werden die diskreten Körper voneinander getrennt und gelangen dann jeweils im freien Fall in ihre jeweilige Einsatzhöhe, wo sie wiederum durch Fallschirme abgebremst werden, die mittels eines Zeitwerkes entfaltet werden; vgl. Fig. 5. Hierbei ist es günstig, wenn die diskreten Körper windschlüpfig sind, d. h. einen geringen aerodynamischen Widerstand aufweisen, so daß sie sehr schnell in ihre Einsatzhöhe gelangen.

Die Vermessung des Windprofils geschieht in gleicher Weise wie oben beschrieben.

Selbstverständlich ist es ferner möglich, die Rakete

Urtd die einzelnem diskreten Körper vor Erreichen des Erdbodens in kleine Teile zu zerstören, so daß eine Gefährdung Von Personen ausgeschlossen ist. Ferner kann für die Auslösung zur Zerlegung der Rakete und der Entfaltung der Fallschirme anstelle des genannten

Zeitwerkes auch ein Höhenmesser benutzt werden oder es kann die Auslösung durch Fernsteuerkommandos erfolgen. Da diese verschiedenen Möglichkeiten als solche bekannt sind, wird auf sie nicht «la'her eingegangen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ermittlung des Richtungs- und Geschwiridigkeitsprofils von Höhenwinden über einen bestimmten Höhenbereich bei dem

a) ein Radarreflektor mittels einer Rakete in eine bestimmte Höhe transportiert und dort von der Rakete freigegeben wird,

b) die Flugbahn des freigegebenen und die Bewegungsrichtung sowie die Geschwindigkeit der durchfiillenen Luftschichten annehmenden Radanreflektors durch Radarmessungen von einer Bodenstation aus ermittelt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß is

c) mittels der gleichen Rakete (1) zusätzlich weitere Radarreflektoren (13) transportiert werden,

d) die einzelnen Radarreflektoren (13) in innerhalb des zu überwachenden Höhenbereichs <-iwa gleichabständig verteilte Ausgangspositionen gebracht werden, und

e) der Höhenbereich bei der Radarmessung zwecks wiederholter Ortung der einzelnen Radarrflektoren (13) zyklisch abgetastet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Radarreflektoren (13) beim Herunterfallen der ausgebrannten Rakete (1) von dieser in den verschiedenen Ausgangspositionen freigesetzt und dort abgebremst Werden und d.^ß ihre Fallgeschwindigkeit reduziert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Radarreflektoren (13) bis tür Gipfelhöhe (2) der Rakete ,1) hochgetragen Und dort von der Rakete und voneinander gelrennt werden, und daß die Fallgeschwindigkeit «ler einzelnen Radarreflektoren nach einer Zeit- »panne, deren Dauer für jeden Reflektor unter- -to schiedlich bemessen wird, reduziert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Sis Radarreflektoren reflektierend ausgebildete Fallschirme (14) verwendet werden. «

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Radarreflekloren (13) an Fallschirmen (14) hängende Luneburg-l.insen (15) verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden An-Iprüchc, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgebrannte Rakete als einer der Radarreflektoren Verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehend genannten Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß «.lic Radarreflcktorcn von einer ein- oder mehrstufigen Rakete mit zumindest einem aufgesetzten fcntrichsloscn, die Radarreflektoren aufnehmenden Teil (12) transportiert werden.

S Verfahren nach einem der vorstehenden An- bo Iprüche,dadurch gekennzeichnet, daß gemeinsam mit den Radarreflektoren eine Sonde zur Gewinnung von atmosphärischen Meßwerten sowie ein Sender zu deren Übermittlung an die Bodenstation hochgetragen werden.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Verfahren zur Bestimmung des Windprofils in der Mesosphäre oberhalb.20 km Höhe ist in der Zeitschrift ARS-Journal, August 61, Seite 1060ff., beschrieben. Hierbei wird mit Hilfe einer Rakete ein Körper, beispielsweise ein Fallschirm, auf eine Gipfelhöhe von etwa 60 bis 70 km hochgetragen und dann freigegebeii; beim Absinken des Fallschirmes wird dessen Flugbahn mit Radar vermessen, so daß vueraus die in den einzelnen durchfallenen Luftschichten herrschenden Höhenwinde nach Geschwindigkeit und Richtung berechnet werden können.

Für Windprofilmessungen vom Erdboden bis in ca. 20 Kilometer Höhe ist dieses Verfahren nicht angewendet worden; dieser Höhenbereich ist jedoch im militärischen Bereich von besonderem Interesse, beispielsweise im Zusammenhang mit dem Abschuß einer ballistischen Rakete auf ein bestimmtes Ziel. Da die Windverhältnisse während des Fluges der Rakete zu erheblichen Abweichungen von der Sollflugbahn führen können - es wurde gefunden, daß ca. 60% bis 80% des ermittelten Streubereiches auf Windeinflüsse zurückgehen -, muß die Rampe für den Abschuß der ballistischen Rakete bezüglich Elevation und Azimut in Abhängigkeit von dem Windprofil in den einzelnen zu durchfliegenden Luftschichten korrigiert werden. Würde das angegebene Verfahren zur Bestimmung des Windprofils auf den Höhenbereich bis zu 20 Kilometern übertragen, so würden sich, da die Sinkgeschwindigkeiten von Fallschirmen mit zunehmender Luftdichte kleiner werden, und in diesem Höhenbereich unter 10 Meter pro Sekunde liegen, Meßzeiten von über einer Stunde ergeben.

Aufgrund dieser langen Meßzeit wäre es möglich, daß die tatsächlichen Windstärken zum Startzeitpunkt der ballistischen Rakete vielfach nicht mehr mit den vorher ermittelten übereinstimmten. Die Erfüllung der geforderten Mission der Rakete ist somit auch bei Ausschaltung aller weiteren Fehle^r nicht sicher gewährleistet.

Auch aus der Verfolgung einer Rakete, die die interessierenden Luftschichten sehr schnell durchfliegt, kann das erwünschte Windprofil nicht mit der nötigen Genauigkeit bestimmt werden, da zum einen die vertikale Geschwindigkeit der Rakete die horizontale Windgeschwindigkeit um ein Vielfaches übersteigt, d. h. die Kursänderungen durch Windeinflüsse nur sehr klein sind, und des weiteren insbesondere bei kleinen Raketen ohne großen Steueraufwand das Windverhalten der Rakete sich von den übrigen Störeinflüssen schlecht trennen laßt. Da sich außerdem die Rakete aufgrund ihrer relativ großen Massenträgheit zur zögernd Windeinflüssen anpaßt und ein stationärer Zustand nur dann eintritt, wenn die Windgeschwindigkeit über weite Strecken der Raketenflugbahn konstant ist, ist eine exakte Vermessung des Windprofils mit einem solchen Verfahren nicht möglich.

In einer Veröffentlichung des NASA MARSHALL SPACF. FLIGHT CENTER. März/April 1964, ist auf Seite 183 in einem Artikel von Scoggins and Vaughan mit dem Titel »Atmospheric Wind Inputs for Missile Design« ein weiteres Verfahren beschrieben, bei dem eine vertikale Rauch' oder Dampfsäule von eifier kleinen Rakete erzeugt und diese Säule in bestimmten Abständen photographiert wird. Die genaue Mitte der Rauchsäule ist nur schwer festzustellen.