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Selbststeuereinrichtung für Flugzeuge mit einem Kreisel mit drei'Freiheitsgraden als
Steuerwertgeber.
Für die Selbststeuerung von Flugzeugen nach Kurs und Höhe ist es bekannt, einen einzigen freien Kreisel als Steuerwertgeber zu verwenden, dessen Umlaufachse in Flugrichtung bleibt. Zwecks Vornahme von Kurs-und Hohenänderungen werden auf den Kardanrahmen oder den Kreiselläuferträger Drehmomente ausgeübt und das Flugzeug der auf diese Weise ausgelösten Präzessionsbewegung des Kreisels nachgesteuert.
Gegenüber der bekannten Anordnung wird auf Grund der Erfindung dadurch eine wesentliche Vereinfachung erzielt, dass die die Steuerbewegungen des Flugzeuges herbeiführenden Drehmomente einer fahrzeugfest angeordneten Präzessionseinrichtung für beide Kardanachsen gemeinsam am Kreiselläuferträger zum Angriff gelangen. Zur Ausübung der Drehmomente können in an sich bekannter Weise wechselseitig steuerbare Spulen dienen, die auf einen Eisenanker einwirken. Bei der erfindunggemässen Anordnung sind für die Steuerung des am Läuferträger befestigten Ankers zwei senkrecht zueinander und zur Flugrichtung in der Horizontal-bzw. Vertikalebene liegende Spulenpaare vorzusehen. Statt dessen können auch vier in gleicher Weise angeordnete druckmittelgesteuerte Kolben, die untereinander in Verbindung stehen, an den inneren Kardanrahmen angelenkt werden. An Stelle der Spulen bzw.
Kolben können auch Luftstrahlen Verwendung finden, die auf einen würfelförmigen, mit dem inneren Kardanrahmen verbundenen Körper die erforderlichen Kräfte ausüben.
Voraussetzung für die einwandfreie Funktion in allen diesen Fällen ist, dass die Wendigkeit des Fahrzeuges grösser ist als die grösste Präzessionsgeschwindigkeit des Kreisels. Dies lässt sich durch geeignete Bemessung der Ruderausschläge bzw. der auf den Kreisel zur Einwirkung gebrachten Drehmomente leicht erreichen. Es wird so vermieden, dass eine grössere Stellungsänderung zwischen Kreisel und Fahrzeug entsteht und der Kreisel gegen gehäusefeste Teile anschlägt.
Die erfindungsgemässe Anordnung gestattet in einfacher Weise, dem durch Schräglage des Luftfahrzeuges entstehenden Steuerwechsel des Seiten-und Höhenruders Rechnung zu tragen, indem die Vorrichtung zum Präzedierenlassen des Kreisels gegen Querneigung des Luftfahrzeuges stabilisiert wird.
Der in der Steilkurve vertauschen Steuerwirkung des Seiten-und Höhenruders kommt bei der immer mehr gesteigerten Geschwindigkeit der Luftfahrzeuge erhöhte Bedeutung zu, da bei grossen Geschwindigkeiten grössere Schräglagen erforderlich werden, um eine gute Manövrierfähigkeit zu ermöglichen.
Die Stabilisierung der Präzessionseinrichtung kann in an sich bekannter Weise durch einen freien Kreisel erfolgen. Eine einfachere Lösung besteht darin, an Stelle des freien Kreisels einen Wendekreisel zu verwenden. Die Normallage der Einrichtung zur Auslösung der Päzession des Steuerkreisels wird dann dadurch aufrechterhalten, dass diese Einrichtung unmittelbar oder unter Zwischenschaltung einer Übersetzung durch den Ausschlag des Wendekreisel bei Drehung des Luftfahrzeuges um seine Hochachse entgegen der von der Drehgeschwindigkeit abhängigen Schräglage um einen entsprechenden Betrag gedreht wird.
Grundsätzlich kann durch den Wendekreisel auch eine Umschaltung der einzelnen Elemente zur Auslösung der Präzessionsmomente erfolgen, in welchem Falle die Präzessionseinrichtung fahrzeugfest angeordnet ist.
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Zur Erläuterung des Steuerwechsels sei angenommen, ein mit der vorbeschriebenen Selbststeuereinrichtung versehenes Flugzeug befinde sich im waagrechten Geradeausflug und weiche links vom Kurs ab. Dabei bewegt sich der fahrzeugfeste (sekundäre) Impulsgeberteil in bezug auf den kreiselund somit raumfesten primären Impulsgeberteil, von oben gesehen, entgegen dem Uhrzeiger. Das hat in bekannter Weise einen Rechtsruderausschlag des Seitenruders zur Folge, wodurch das Flugzeug wieder auf seinen ursprünglichen Kurs zurückgeführt wird.
Anderseits werde angenommen, das Flugzeug befinde sich in einer Steilkurve. Dann liegen die beiden Kardanrahmen in einer, in Flugrichtung gesehenen, beispielsweise um 900 entgegen dem Uhrzeiger gedrehten Lage (Steilkurve links), wobei sich auch die fahrzeugfesten Impulsgeberteile entsprechend mitgedreht haben.
Erfolgt eine Abweichung des Flugzeuges von seiner Flugbahn. nach unten, so bewegt sich der fahrzeugfeste Impulsgeberteil in bezug auf den kreiselfesten, vom Flugzeug aus gesehen in Draufsicht, wieder entgegen dem Uhrzeiger. Dem früheren Seitenruderausschlag nach rechts entsprechend, erfolgt in bezug auf die Erdoberfläche der Ruderausschlag diesmal nach oben, d. h. das in der Steilkurve als Höhenruder wirkende Seitenruder führt das Flugzeug durch seinen Ausschlag nach oben (vom Flugzeug aus betrachtet, Ausschlag nach rechts) wieder in seine Flugbahn zurück. In ganz entsprechender Weise wird die sinngemäss vertauscht Wirkung des Höhenruders als Seitenruder in der Steilkurve ausgelöst.
Die Impulsgeber können, wie bereits für gleichzeitige Höhen-und Querstabilisierung durch einen einzigen Kreisel vorgeschlagen wurde, mit je einem Kreiselrahmen in Verbindung stehen.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist für die Impulsgabe ein gemeinsamer, mit dem Kreiselträger verbundener, primärer Impulsgeberteil gegenüber den beiden fahrzeugfesten sekundären Impulsgeberteilen angeordnet.
Hiebei ist es vorteilhaft, den gemeinsamen primären Impulsgeberteil als an dem Kreiselachsenlagerträger befestigte Kugelkalotte auszubilden, deren Mittelpunkt mit dem der Kreiselaufhängung zusammenfällt. In geringem Abstand vor der Kugelkalotte liegen die fahrzeugfesten sekundären Impulsgeberteile, zwei Düsenpaare, von denen jeweils die Öffnungen der beiden zusammengehörigen Düsen in den durch die Längs-und Querachse bzw. die Längs- und Hochachse des Luftfahrzeuges gebildeten Ebenen einander gegenüberliegen. Von der Kugelkalotte wird die Strömung eines Druckmittels durch die Düsen gesteuert, und die in den Zuflussleitungen entstehenden Druckänderungen dienen in bekannter Weise zur Steuerung von Servomotoren für die Ruderverstellung.
Man kann die Anordnung aber auch so treffen, dass der primäre Impulsgeberteil als Strahlrohr ausgebildet ist, das mit seiner Achse parallel zur Kreiselachse an dem Kreiselträger befestigt ist und vier ihm gegenüber fahrzeugfest als sekundäre Impulsgeberteile liegende Öffnungen beaufschlagt, wobei jeweils die beiden zusammengehörigen Öffnungen in den durch die Längs-und Querachse bzw. die Längs- und Hochachse des Luftfahrzeuges gebildeten Ebenen einander gegenüberliegen.
An Stelle des Strahlrohres kann beispielsweise in ähnlicher Weise ein von dem Kardanrahmen reflektierter Lichtstrahl mit entsprechend angeordnetem lichtempfindlichen Relais zusammenwirken.
Hiemit sind jedoch die Möglichkeiten einer solchen Beeinflussung noch nicht erschöpft. Sinngemäss kann vielmehr jede ähnliche Methode Verwendung finden.
Um beim Kurvenflug djie Fahrtgeschwindigkeit gleichbleibend zu halten, empfiehlt es sich, in bekannter Weise den Fahrzeugantrieb in Abhängigkeit von einem Fahrtmesser selbsttätig zu regeln.
Bei Langstreckenflügen muss einem Auswandern des Steuerkreisels aus dem eingestellten Kurs vorgebeugt werden, was durch Überwachung mittels eines Magnetkompasses in an sich bekannter Weise geschehen kann. Dabei werden die von dem Magnetkompass gegebenen Steuerimpulse vorteilhaft auf die gleiche Einrichtung zur Einwirkung gebracht, die zum willkürlichen Präzedierenlassen des Kreisels dient.
Des weiteren kann der vertikale Kreiselrahmen dadurch in einfacher Weise in Lotrichtung gehalten werden, dass von einem mit einem Impulsgeber versehenen Pendel ebenfalls die zum Präzedierenlassen des Kreisels vorgesehene Einrichtung zusätzlich beeinflusst wird.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sind zwei Ausführungsformen derselben an Hand der beiden Abbildungen beschrieben.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 1 ist der mit seiner Umlaufachse 1 in Fahrtrichtung liegende
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beiderseits Stäbe 7 und 8 angebracht. Am Ende des Stabes 7 sitzt ein Eisenkern 9 zwischen den senkrecht zueinander im fahrzeugfesten Rahmen 25 angeordneten Spulenpaaren 10 und 11. Am anderen Stabe 8 ist eine Kugelkalotte 12 befestigt, deren Mittelpunkt mit dem der Kreiselaufhängung zusammenfällt. In geringem Abstand vor der Kugelkalotte sind die von ihr gesteuerten Düsenpaare 13 und 14 fahrzeugfest angebracht, so dass jeweils die Öffnungen der beiden zusammengehörigen Düsen in den durch die Längs-und Querachse bzw. die Längs-und Hochachse des Luftfahrzeuges gebildeten Ebenen einander gegenüberliegen.
Das Düsenpaar 13 ist mit den beiden Seiten des Servomotors 15, das Düsenpaar 14 mit denen des Servomotors 16 verbunden. Durch die Leitungen 17 und 18 wird den Servomotoren Druckluft
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zugeführt, die bei gleichmässiger Abschirmung der Düsenpaare 13 bzw. 14 in deren Mittelstellung auf beiden Seiten der Kolben 19 und 20 einen gleichen Druck erzeugt. Wird dagegen infolge einer Relativ- bewegung zwischen den Düsen und der Kugelkalotte 12 eine Düse freigegeben, so fällt der Druck auf der betreffenden Seite im Servomotor und der Kolben bewegt sich entsprechend und verstellt das
Seitenruder 21 oder das Höhenruder 22. Die Bewegung wird durch Rückführung der Düsen vermittels des Gestänges 23 bzw. 24 in bekannter Weise begrenzt.
Zur Änderung der Fluglage dienen die Schalter 30 und 31, durch die die Verbindung zwischen der Batterie 32 und jeweils einer der Spulen 10 und 11 hergestellt werden kann.
Soll beispielsweise bei normaler Fluglage ein Kurswechsel nach links vorgenommen werden, so legt man den Schalter 30 nach links. Dadurch wird die obere der Spulen 11 erregt und auf die Kreisel- 'achse 1 ein Drehmoment ausgeübt, auf Grund dessen nach bekannten physikalischen Gesetzen der Kreisel in der Horizontalebene gegenläufig dem Uhrzeiger (von oben gesehen) präzediert. Die Kugelkalotte wird aus der Mittelstellung der Düsen herausbewegt, so dass die hintere der Düsen 13 freigegeben wird. Demzufolge sinkt der Druck auf der rückwärtigen Seite des Kolbens 15, es erfolgt ein Ausschlag des Seitenruders nach links.
Gleichzeitig wird das Düsensystem in die neutrale Stellung zurückgeführt. Die Grösse des Ruderausschlages hängt ab von dem Rückführverhältnis (Grösse des Ruderausschlages für eine bestimmte Kursabweichung) und der Präzessionsgeschwindigkeit des Kreisels.
Der Ruderausschlag nimmt so lange zu, bis das Flugzeug die gleiche Drehgeschwindigkeit besitzt, mit der der Kreisel präzediert. Ist dies der Fall, dann besteht keine Relativbewegung mehr zwischen der Kugelkalotte 12 und den Düsen 13, die Kugelkalotte verbleibt in der neutralen Stellung, und das Seitenruder 21 behält seinen Ausschlag. Ist dagegen die Flugzeugdrehgeschwindigkeit grösser als die des Kreisels (z. B. nach Unterbrechung der Kreiselpräzessionsbewegung), so wird die vordere der Düsen 13 freigegeben, der Kolben 19 und das Ruder 21 laufen in entgegengesetzter Richtung bis der Impulsgeber 12, 13 wieder seine neutrale Stellung einnimmt.
Um ein Überpendeln bei Kurswechsel zu vermeiden, wird man in bekannter Weise die Rückführung nachgiebig ausbilden, auch kann die Präzessionsgeschwindigkeit durch Verwendung von regelbaren Widerständen beliebig geändert werden.
Hat bei grossen Drehgeschwindigkeiten das Flugzeug eine beträchtliche Schräglage erreicht, so muss dem Steuerwechsel entsprechend bei der vorbeschriebenen Anordnung auch der Schalter 31 bedient werden.
Gemäss der weiteren Ausbildung der Erfindung lässt sich dies dadurch vermeiden, dass die Einrichtung zur Ausübung der Drehmomente in der Horizontal-bzw. Vertikalebene gehalten wird.
Bei Fig. 2 geschieht dies in einfacher Weise durch einen Wendekreisel28, dessen durch dieFeder29 an das Flugzeug gefesselter Achsenträger 27 über den Bügel 26 starr mit dem Rahmen 25 verbunden ist. Die Federfesselung ist sous zou bemessen, dass der zu einer bestimmten Drehgeschwindigkeit um die Flugbahnhochachse gehörigen Schräglage des Flugzeugs durch die Präzessionskraft des Kreisels entgegengewirkt wird, u. zw. durch Drehung des Rahmens 25 entgegen der Schräglage, so dass dieser annähernd in seiner ursprünglichen Neigung in bezug auf die Erdoberfläche gehalten wird.
An Stelle des Wendekreisel lässt sich auch ein freier Kreisel verwenden.
Unterschiedlich zu Fig. 1 sind an Stelle der Spulenpaare 10, 11 vier untereinander allseitig gelenkig verbundene druckluftgesteuerte Kolben in dem Rahmen 25 befestigt, die gemeinsam um die Achse 1 drehbar an dem Stabe 7 angreifen. Die Präzessionsbewegung wird in diesem Fall ganz entsprechend dadurch ausgelöst, dass in die betreffende Verbindungsleitung Druckluft geleitet wird.
Statt der Kugelkalotte findet ein Strahlrohr 12'Verwendung, das in die vier ihm gegenüber, diesmal dicht nebeneinanderliegenden Düsenpaare 13', 14'Druckluft hineinlässt. Die Druckluftzufuhr zum Strahlrohr erfolgt durch die gestrichelt dargestellte Leitung 17'von der Lagerstelle 5 aus.
Bei Strahlrohrmittelstellung ist der Druck in den vier zu den Servomotoren 15 und 16 führenden Leitungen gleich gross, da alle Öffnungen zum Teil von dem Luftstrahl getroffen werden. Wird das Strahlrohr dagegen vor eine der Öffnungen hinbewegt, so steigt der Druck in der betreffenden Leitung und es erfolgt eine entsprechende Kolben-und Ruderbewegung.
Die Wirkungsweise ist sonst genau die gleiche wie bei der beschriebenen Anordnung nach Fig. 1.
Zum Zweck der Lagenänderung braucht jedoch der Steuerwechsel bei grosser Schräglage nicht berücksichtigt zu werden, da der Rahmen 25 sich nicht mit dem Flugzeug gegenüber der Erdoberfläche neigt, während der Kreisel 2 diese Neigung mitmacht. Das ausgeübte Drehmoment wird dadurch in seine Komponenten zerlegt, die anteilmässig ein gleichzeitiges Verstellen des Seiten-und Höhenruders im richtigen Sinne bewirken.
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