Zum Anlernen von Flugschülern bestimmte Vorrichtung Das Patent bezieht sich auf eine zum Anlernen von Flugschülern bestimmte Vorrichtung mit einer beweglich gelagerten Flugzeugkanzel, mit Geräten zur Erzeugung veränderlicher Grössen, welche verän derlichen Flugwerten für die Nachahmung eines Flugzeuges entsprechen, und ferner mit servomecha nischen Antriebsmitteln für das Bewegen der Flugkanzel, wobei diese servomechanischen Antriebs mittel auf eine Funktion mindestens einer der veränderlichen Grössen ansprechen.
Bekannte Vor richtungen dieser Art sehen wie folgt aus: Wenn die in der Flugzeugkanzel vorhandenen Steuermittel, die denjenigen eines neuzeitlichen Flugzeugs ent sprechen, durch den Schüler bedient werden, dann werden dadurch Anzeige- und Steuergeräte auf dem Instrumentenbrett der Kanzel und auf einem Instrumentenbrett für den Fluglehrer in Gang gesetzt, und zwar in der gleichen Weise, wie es bei einem in derselben Weise bedienten freifliegenden Flugzeug geschehen würde. Auf diese Weise lernt der Schüler, wie er ein neuzeitliches Flugzeug im freien Flug zu steuern hat, obgleich die Flugzeugkanzel ortsfest nur begrenzt beweglich gelagert ist.
Zum Anlernen von Flugschülern werden heutzu tage solche Vorrichtungen allgemein benutzt, da Schulflugzeuge in der Beschaffung, im Betrieb und in der Unterhaltung recht kostspielig sind und die langwierige Ausbildung von Anfängern auf Schul flugzeugen erhebliche Gefahren in sich birgt. Welchen praktischen Wert aber das Anlernen der Schüler auf den ortsfesten und nur begrenzt beweglichen Vorrich tungen hat, hängt weitgehend davon ab, in welchem Masse sich die im freien Fluge ergebenden auf den Flugzeugführer einwirkenden Einflüsse in der orts festen Vorrichtung nachahmen lassen. Dem Patent liegt die Aufgabe zugrunde, in dieser Hinsicht die bekannten Vorrichtungen zum Anlernen von Flugschülern zu verbessern.
Es soll also erreicht werden, dass der auf dem Führersitz der begrenzt beweglichen Flugzeugkanzel sitzende und die Steuer mittel bedienende Schüler möglichst denselben sub jektiven Einflüssen unterworfen wird, wie sie sich im wirklichen Flugzeug bei freiem Flug ergeben.
Ein grundsätzlicher Mangel der meisten bekann ten Anlernvorrichtungen für Flugschüler liegt darin, dass sie wegen ihrer begrenzten Beweglichkeit das rechte Fluggefühl nicht vermitteln. Dieses Fluggefühl, das der mit einem bestimmten Baumuster vertraute Flugzeugführer erwirbt, beruht auf den physikalischen Kräften, die im freien Flug auf den Körper des Flugzeugführers einwirken.
Es beruht weiter auf den Wahrnehmungen, die der Flugzeugführer beim Ab lesen seiner Instrumente im. Fluge macht. Die sich im freien Fluge ergebenden Empfindungen sollen nun durch die Anlernvorrichtung dem Flugschüler, soweit wie es sich mit wirtschaftlichen Mitteln erreichen lässt, vermittelt werden.
Der menschliche Körper empfindet am stärksten Drücke oder Kräfte, im Gegensatz zu Geschwindib keiten oder Lagen. Die im Flug auf den Körper des Flugzeugführers wirkenden Drücke und Kräfte sind den Beschleunigungen des Flugzeugs verhältnisgleich. Wollte man in der Anlernvorrichtung die auf den Flugzeugführer wirkenden Kräfte genau wiedergeben, so müsste man daher die translatorischen Bewegun gen und die Winkelbewegungen nachahmen, die das Flugzeug im Flug ausführt.
Das ist natürlich unmög lich, weil dazu die Anlernvorrichtung dieselbe Bahn wie das freifliegende Flugzeug beschreiben müsste. Es hab sich aber nun herausgestellt, dass man die Änderungen in der Lage und Richtung des Flugzeugs am deutlichsten empfindet, wenn diese Änderungen einsetzen. Den weiteren Verlauf der Drehbewegung oder translatorischen Bewegung des Flugzeugs emp findet der Flugzeugführer nicht mehr so deutlich, nachdem der durch die Bewegungsänderung des Flugzeugs verursachte anfängliche Impuls auf seinen Körper eingewirkt hat. An sich wäre es natürlich erwünscht, die nachzuahmenden Beschleunigungs kräfte in der gleichen Grösse zu erzeugen, wie sie im freien Flug auf den Flugzeugführer wirken.
Doch hat sich ergeben, dass das nicht unbedingt nötig ist. Aus diesem Grunde genügt es praktisch, der Flug zeugkanzel der ortsfesten Anlernvorrichtung be grenzte Bewegungen in der Weise zu erteilen, dass der Schüler die dabei auftretenden Beschleunigungs kräfte empfindet. Infolge der begrenzten Beweglich keit der Kanzel, die innerhalb ihres bestimmten Bewegungsbereiches verbleiben muss, müssen sich die Mittelwerte der Verstellgeschwindigkeit auf Null belaufen.
Dabei ist es erwünscht, den Verstellbereich der Kanzel weitmöglichst zu beschränken, denn dadurch vereinfachen sich die Leitungs- und Kabelanschlüsse, die zu den Steuergeräten der Kanzel und zum Stand des Fluglehrers verlaufen.
Erfindungsgemäss ist nun zu dem Zweck, dem Schüler die dem freien Flug entsprechenden Bewe gungsempfindungen zu vermitteln, die Vorrichtung so beschaffen, dass die genannte Funktion eine zeit lich abklingende Funktion ist.
Mit Vorteil wird der Kanzel ein vorübergehender Bewegungsimpuls erteilt und von der entstehenden Bewegung der Kanzel ein Steuerimpuls abgeleitet, der auf den Antrieb der Kanzel einwirkt und die erteilte Bewegung allmählich wieder rückgängig macht, so dass die Verstellung der Kanzel mit der Zeit zu Null wird.
Auf Null beläuft sich daher auch die mittlere Geschwindigkeit. Das allmähliche Rückgängigmachen der Bewegung empfindet der Flugschüler nicht so sehr. Er empfindet aber deutlich, wenn die Bewegung der Flugzeugkanzel einsetzt, und dadurch wird er reicht, dass er die Bewegungen der Kanzel ähnlich empfindet, wie der erfahrene Flugzeugführer die Bewegungen des Flugzeugs im freien Fluge.
Das Patent betrifft im übrigen auch ein Verfah ren zum Betriebe der erfindungsgemässen Vorrich tung- Unteraufgaben der Erfindungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausfüh rungsbeispiele der Erfindungen.
In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 eine schaubildliche Ansizht eines Ausfüh rungsbeispielen einer Vorrichtung zum Anlernen von Flugschülern nach der Erfindung; Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung zur Erläuterung der Mittel, mit deren Hilfe translatorische und Dreh bewegungen einer Flugzeugkanzel herbeigeführt werden können, um dadurch die Kräfte nachzuahmen, die sich im freien Flug eines Flugzeugs bei Höhen änderungen ergeben; Die Fig. 3a bis 3e verschiedene Schaltungsanord nungen, die im Ausführungsbeispiel gebraucht wer den körnen und die Stromkreise der einzelnen Aggregate zeigen; Fig. 4 schematisch die Stromkreisschaltung bei Einrichtungen, welche Querneigung der Flugzeug kanzel des Lehrgeräts steuern ;
Fig. 5 schematisch die Stromkreisschaltung einer anderen. Ausführungsform, bei welcher Drehungen der Kanzel um mehrere Achsen bei Verwendung eines gemeinsamen Antriebes in Beziehung zueinan der gebracht sind und Fig. 6 eine schematische Stromkreisschaltung bei einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher unter Verwendung hydraulischer Antriebsmittel seit lich auf das Flugzeug wirkende Kräfte nachgeahmt werden.
Um zu erreichen, dass der Mittelwert der Ver stellung der Kanzel des Lehrgeräts zu Null wird, ist es erforderlich, Bewegungsimpulse zu erzeugen, durch welche die Kanzel in Nachahmung der Flug bewegung eines Flugzeugs in Bewegung versetzt wird, und ausserdem Hilfsimpulse zu entwickeln, welche dem Zweck dienen, die mittleren Geschwindigkeiten zu Null werden zu lassen, ohne jedoch den eigentli chen Charakter der Bewegungsimpulse zu verwischen.
An sich sind Vorrichtungen zum Anlernen von Flugschülern bekannt, bei denen durch Flugrechen geräte elektrische Impulse erzeugt werden, die den nachgeahmten Beschleunigungskräften, Geschwindig keiten und Lagen eines Flugzeugs entsprechen.
Dabei erfolgt die Erzeugung der Impulse durch Servo- Geräte, deren Einstellung entsprechend den Flug- grössen erfolgt, sowie durch Integrierschaltungen. Derartige Integrierschaltungen sind bekannt, zum Beispiel in Gestalt des Miller-Integrators. Hier kann man solche Flugimpulse verwenden, um die verschie denen Hilfsantriebe in Gang zu setzen, welche die Lage der Kanzel verändern. Diesen Flugimpulsen werden nun die Hilfsimpulse überlagert, welche dazu führen, dass die Mittelwerte der Verstellung der Kanzel zu Null werden.
Bezeichnet man die nachzuahmende Fluggrösse mit X und den Wert der Verstellung der Kanzel mit Xs, und bezeichnet man ferner mit Xa die von dem üblichen Flugrechengerät gelieferten nachgeahmten Fluggrössen, so kann man die folgende Gleichung aufstellen <I>k<B>,</B></I> Xs <I>=</I> Xa-k. @(t Xs dt <I>(1)</I> Wenn beispielweise angenommen ist, dass in einem bestimmten Moment das simulierte Flugzeug mit einer festen Seitenneigung von + 15,
1 fliegt und die Flugkanzel der Vorrichtung in diesem Moment von einer Bezugslage durch den Wert von -f- 7 geneigt werde, dann ist X der Neigungswinkel, Xs ist gleich -f- 7 und Xa ist gleich -i- 15o. Der künstliche Hori zont in der Vorrichtung wird dann auf -I- 15o ein- gestellt sein; k1 und k2 sind Konstanten, die z. B. die Beziehung zwischen einem Verdrehungswinkel und einer gradlinigen Bewegung herstellen.
Differenziert man die Gleichung (1) nach der Zeit, so ergibt sich folgende Formel k1 Xs = Xa - k2Xs (2) Bildet man durch Differenzierung dieser Formel die zweite Ableitung nach der Zeit, so erhält man k1 Xs = L - k2Xs (3) Bei jeder dieser drei Formeln bedeutet die linke Seite den Verstellweg bzw. die Geschwindigkeit bzw. die Beschleunigung der Kanzel. Geht der Mittelwert oder der Endwert der Geschwindigkeit oder des Verstellweges auf Null, muss der zeitliche Mittelwert der rechts in den Gleichungen stehenden Begriffe ebenfalls Null werden. Das lässt sich nun beispiels weise in der folgenden Weise erreichen : Die die Kanzel verstellenden Antriebe werden durch einen vorübergehenden Hauptimpuls, entsprechend der nachgeahmten Fluggrösse, gesteuert.
Ausserdem wird ein Hilfsimpuls abgeleitet. Hierzu wird der Ver stellweg der Kanzel von einer willkürlich gewählten Mittelstellung aus bestimmt. Der Hilfsimpuls stellt dann eine Funktion dieses Verstellweges dar. Dieser Hilfsimpuls wirkt nun auf den Antrieb im entgegen gesetzten Sinne wie der Hauptimpuls und lässt da durch den Verstellweg allmählich zu Null werden.
Die Gleichung (2) kann folgendermassen ge schrieben werden
EMI0003.0004
In dieser Gleichung ist p der Differentialoperator
EMI0003.0005
(nach Heaviside) und k1 und k2 sind Konstanten. Bei der beispielsweisen praktischen Ausführung der Erfindung kann man die von einem üblichen Rechengerät der Anlernkanzel gelieferte Spannung einer Schaltungsanordnung zuführen, welche die Funktion
EMI0003.0006
verkörpert. Diese Schaltungsanordnung liefert dann eine Spannung zum Verstellen der Kanzel.
Wer mit elek trischen Schaltungen vertraut ist, welche die Ein- gangsgrösse nach einer bestimmten mathematischen Funktion in eine Ausgangsgrösse umwandeln, erkennt ohne weiteres, dass man hierfür die verschiedensten Schaltungen verwenden kann. Bei zahlreichen Aus führungsformen der Erfindung empfiehlt es sich den Wert von k1 in der vorstehend angegebenen Um wandlungsfunktion entweder entsprechend dem Ver- stellweg der Kanzel zu ändern, oder den Wert k2 entsprechend der veränderlichen Fluggrössen zu wäh len, wie Staudruck, Geschwindigkeit in Mach-Zahl oder dergleichen, wie später näher erläutert werden wird.
In Fig. 1 ist eine Anlernvorrichtung mit einer verstellbaren Flugkanzel gezeigt. Da es dabei auf die Einzelheiten der mechanischen Ausgestaltung nicht ankommt, genügt eine kurze Erläuterung. Das am Boden befestigte Gestell 10 hat eine Säule 11, an der eine Riemenscheibe 13 starr befestigt ist, und die an ihrem oberen Ende ein Lager für eine Keil welle 14 hat. Diese Welle ist gleichachsig zur Säule 11 über dieser angebracht und drehbar gelagert. Auf dieser Welle 14 ist eine Nabe 15 verschiebbar, von der aus vier Tragarme 16 bis 19 radial nach aussen und nach oben verlaufen und einen Hauptkardanring 20 tragen, vergleiche Fig. 2.
Am Tragarm 18 ist ein Servo-Motor M-100 an gebracht, an dessen Welle eine Riemenscheibe be festigt ist. Diese ist mit der Riemenscheibe 13 durch den Riemen 21 verbunden. Da die Säule 11 am Gestell 10 starr befestigt ist und da die Keilwelle 14 in der Säule 11 drehbar gelagert ist, führt der An trieb des Servo-Motors M-100 dazu, dass die Nabe 15 und der mittlere Hauptkardanrahmen 20 in einer waagerechten Ebene umlaufen. Die Nabe 15 und der Hauptkardanrahmen 20 sind auf der Keilwelle 14 verschiebbar. Sie werden auf dieser durch einen hydraulischen Antrieb verstellt, der aus einem Zylin der H und einem Kolben besteht, der durch die Kolbenstange 23 an der Welle 14 befestigt ist. Der Zylinder kann an den Tragarmen 16 bis 19 mittels eines Rahmens 24 starr befestigt sein.
Wird das hydraulische Druckmittel dem einen Ende des Zylin ders H zugeleitet und das andere Ende des Zylinders auf Abfluss geschaltet, so wird dadurch der Haupt- kardanrahmen 20 gehoben oder gesenkt. Diese Ver stellung dient dem Zweck, Höhenänderungen eines Flugzeugs nachzuahmen.
Auf der einen Seite des Kardanrahmens 20 be findet sich ein Lagergehäuse 25, Fig. 1, in welchem eine Welle 26 drehbar gelagert ist. Mit dieser Welle steht ein Servo-Motor M-200 in Getriebeverbindung, der neben dem Gehäuse 25 angeordnet ist und dazu dient, die Längsneigung der Kanzel zu verstellen. Das äussere Ende der Welle 26 ist eine Keilwelle, auf welcher die Nabe eines inneren Kardanrahmens 28 verschiebbar ist.
Auf der gegenüberliegenden Seite hat der Hauptkardanrahmen 20 ein Lager, in wel chem eine entsprechende Nabe des inneren Kardan- rahmens 28 gelagert ist. Ferner ist dort ein Zylinder Y angeordnet, der zu einem hydraulischen Antrieb gehört, welcher eine translatorische Querbewegung der Kanzel bewirkt. Dieser Antrieb dient ' nämlich dazu, den Kardanrahmen 28 im Hauptkardanrahmen 20 in Querrichtung zu verschieben.
Mit Hilfe des Servo-Motors M-200 kann also der innere Kardan- rahmen 28 um die Achse der Welle 26 gekippt werden, wodurch die Kanzel eine Längsneigung erhält. Wird der Zylinder Y innen und aussen auf Druck oder Abfluss geschaltet, so erfährt dadurch der innere Kardanrahmen 28 innerhalb des äusseren Kardanrahmens 20 eine Verstellung um eine kurze Strecke. Am vorderen Ende des inneren Kardanrahmens 28 befindet sich ein Lagergehäuse 29, in welchem eine Keilwelle 31 gelagert ist. Diese ist starr an der Kanzel 35 der Anlernvorrichtung befestigt.
Das Hinterende der Kanzel 35 ist drehbar am inneren Kardanrahmen 28 mittels einer Welle 36 gelagert, die einen hydraulischen Zylinder T trägt. Am Lager gehäuse 29 ist starr ein Servo-Motor M-300 ange bracht, der dem Zweck dient, Querneigungen der Kanzel herbeizuführen. Er steht in Getriebeverbin dung mit der Welle 31 und kann daher die Kanzel 35 um deren Achse verschwenken. Wird der hydrau lische Zylinder T auf Druck oder Abfluss geschaltet, so erfährt dadurch die Kanzel 35 innerhalb des in neren Kardanrahmens 28 eine Verstellung in Längs richtung um eine kurze Strecke.
Mit Hilfe der Servo-Motoren M-100, M-200 und M-300 kann also die Kanzel 35 zur Nachahmung einer Kursänderung gedreht und .sowohl quer als auch längs geneigt werden. Ausserdem kann sie mit Hilfe der Zylinder H, Y und T translatorische Bewe gungen in der Höhenrichtung, in der Querrichtung und in der Längsrichtung erfahren. Jeder der Servo- Motoren sowie die in der Kanzel befindlichen Steuer geräte sind an Kabel angeschlossen, während die hydraulischen Zylinder Schlauchverbindungen haben. Die Kabel und Schläuche sind indessen in den Zeich nungen nicht dargestellt. Ferner enthält das Gehäuse eines jeden Servo-Motors einen Tachometer-Genera tor, der eine der Winkelgeschwindigkeit entsprechende Spannung liefert, und ausserdem ein Nachlauf-Poten tiometer.
Auch können Nachlauf-Potentiometer, die nicht dargestellt sind, an jedem hydraulischen Zylin der angeordnet werden, um den Verstellweg der Kolben der betreffenden Zylinder zu messen. Schliess- lich können noch mechanische Anschläge oder elek trische Grenzschalter vorgesehen werden, welche den Bewegungsbereich der verschiedenen Antriebe be grenzen oder verhindern, dass diese zu weit laufen.
Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel gelangen zwar Elektromotoren zur Erzeugung der begrenzten Drehbewegung und hydraulische Antriebe zum Er zeugen der begrenzten translatorischen Bewegungen zur Verwendung, doch können diese Mittel auch vertauscht werden, zum Beispiel unter Verwendung von Zahnstangen und Ritzeln, so dass Elektromoto ren für die translatorischen Bewegungen und Zylinder und Kolben für die Drehbewegungen verwendet wer den. Auch handelt es sich bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel um eine Anordnung, bei welcher sechs Antriebe vorgesehen sind.
Bei anderen Aus führungsformen der Erfindung genügt es aber unter Umständen, die Zahl der Antriebe zu verringern, wenn eine Schwenkung um drei Achsen und eine translatorische Bewegung in der Richtung dieser drei Achsen nicht erforderlich ist. Auch die beschriebene mechanische Ausbildung des Geräts stellt nur ein Beispiel für zahlreiche Möglichkeiten dar, um eine begrenzte Drehung und Verschiebung der Kanzel des Lehrgeräts herbeizuführen. Es lassen sich zahlreiche andere mechanische Anordnungen für diesen Zweck treffen. Die grosse Zahl elektrischer Anschlüsse, die zu der Kanzel von den Rechengeräten aus führen, bedingt eine Begrenzung der Bewegung der Kanzel.
Insbesondere die Verschiebung der Kanzel muss auf höchstens 60 cm begrenzt werden, weil sonst die Herstellung der Stromanschlüsse zu schwierig wird. Die Drehbewegugn wird auf etwas weniger als 360 beschränkt. Bei Verwendung biegsamer Kabel und Schleifringe können die erforderlichen Anschlüsse für eine solche Drehbewegung betriebssicher ausge staltet werden. Grundsätzlich ist es erwünscht, der Kanzel eine möglichst grosse Bewegungsfreiheit zu geben, um Flugbedingungen mit möglichster Voll kommenheit nachahmen zu können. Das bietet die Möglichkeit, manche Winkelbewegungen eines Flug zeugs in voller Grösse nachzuahmen.
Die einzelnen Servo-Antriebe können so ausge staltet sein, dass wenn sie keinen Antriebsimpuls er halten, sie sich in ihrer neutralen Mittelstellung be finden. Gilt das für alle Antriebe, so hat die Kanzel weder eine Längs- noch eine Querneigung und ist auf den Kurs Null eingestellt. Jeder der hydraulischen Kolben befindet sich in der Mitte seines Hubes. In den Fig. 3a bis 3e sind schematische Schalt zeichnungen verschiedener Steuersysteme nach der Erfindung angegeben. Jedes dieser Systeme entspricht einer der Gleichungen (1), (2) oder (3). Jede dieser Schaltungen verkörpert also eine der Funktionen, die in den Gleichungen angegeben sind.
Gemäss Fig. 3a werden einer überlagerungsvorrichtung 1 zwei Span nungen zugeführt, welche die beiden Spannungen addiert. Die eine Spannung entspricht der nachge ahmten Fluggrösse Xa, zum Beispiel der Quernei gung. Die andere Spannung, die dem überlagerungs- gerät 1 zugeführt wird, sei später erläutert. Die Ausgangsspannung des überlagerungsgeräts wird dem Servo-Antrieb 2 zugeführt, der die Kanzel 35 ent sprechend einstellt.
Mit der Kanzel steht nun ein Rückführ-Steuergerät 3 in Verbindung, zum Beispiel in Gestalt eines Nachlauf-Potentiometers oder Wider standsferngebers. Dieser misst die Verstellung der Kanzel, beim vorliegenden Beispiel die Querneigung, von einer mittleren Nullstellung aus und überträgt sie auf ein Integriergerät 4 in Gestalt einer Spannung Xs. Dieses Gerät liefert eine Ausgangsspannung, die also der Grösse<I>k</I> , S t Xs - dt entspricht.
Diese Aus gangsspannung stellt den zweiten Impuls dar, der in das Überlag erungsgerät 1 eingeleitet wird. Das System verkörpert also die Gleichung (1).
Bei dem in Fig. 3b gezeigten System wird in das Überlaberungsgerät 1 eine Spannung eingeführt, wel che einer nachgeahmten Fluggrösse. Xa entspricht. Hierbei mag es sich zum Beispiel um die Winkelge schwindigkeit handeln, mit welcher sich die Quer neigung ändert. Die zweite Spannung, die in das Überlagerungsgerät eingeleitet wird, ist die von der Rückführung 3 gelieferte Spannung kXs. Die addier ten Spannungen ergeben eine Grösse Xs. Diese ist durch die Gleichung (2) wiedergegeben. Die Grösse wird durch das Gerät 4 integriert. Die Ausgangs spannung des Integriergeräts 4 beläuft sich auf Xs.
Sie wird dem Servo-Antrieb 2 zugeleitet, der die Kanzel 35 einstellt.
Bei dem in Fig. 3c gezeigten System, das der Gleichung (3) entspricht, wird in das Überlagerungs gerät 1 eine Spannung eingeführt, die einer nachge ahmten Fluggrösse #a entspricht. Dabei mag es sich beispielsweise um die Winkelbeschleunigung um die Längsachse des Flugzeugs handeln. Die andere Span nung, die dem Gerät 1 zugeleitet wird, entspricht der Verstellgeschwindigkeit und wird von dem Rückführ- Steuergerät 3 im Sinne der Gleichung (3) geliefert. Bei diesem Rückführ-Steuergerät 3 der Fig 3c kann es sich zum Beispiel um einen Tachometergenerator handeln, der die Verstellgeschwindigkeit der Kanzel des Lehrgeräts misst.
Bei dem System der Fig. 3b ergibt sich an der Ausgangsseite des Integriergeräts 4 eine Spannung, die Xs enspricht. Dabei kann es erwünscht sein, die Rückführspannung von dort abzuleiten, statt mit Hilfe des Rückführelements 3. Das ist in Fig. 3b durch eine gestrichelte Linie angedeutet. In entspre chender Weise ergibt sich bei dem System der Fig. 3c zwischen den beiden Integriergeräten 4 eine Span nung, die dem Begriff #s entspricht. Man kann daher dort die Rückführspannung ableiten, wie es die gestrichelte Linie in Fig. 3c andeutet. Man erkennt ohne weiteres, dass die Koeffizienten k der verschiedenen Spannungen sich durch entsprechende Widerstände verkörpern lassen, wie sie bei gleich artigen elektrischen Rechenschaltungen verwendet werden.
Bei jedem der oben beschriebenen Systeme erfolgt die Einstellung der Kanzel durch eine Einstellspan nung (Xs), gleichgültig, ob die in das überlagerungs gerät 1 eingeführte Hauptspannung eine Lage, eine Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung verkör pert. Da bei den gegenwärtig üblichen Lehrgeräten für Flugschüler ebenfalls die Stellungen von Servo- Antrieben und die von Miller-Integriergeräten gelieferten Spannungen dazu dienen, Lagen, Ge schwindigkeiten, Beschleunigungen und Winkelbe schleunigungen eines Flugzeugs oder eines Massen systems auszudrücken, kann man diese Servo-Ein- stellungen oder Integratorspannungen ohne weiteres benutzen,
um die hier beschriebenen Systeme zu betreiben.
Da die Kanzel bei jedem der beschriebenen Systeme durch eine Spannung eingestellt wird, welche eine Lage bedeutet, wird sie in eine Stellung gebracht, welche die Stellung des Flugzeugs nachahmt, wobei diese Stellung durch den oben angegebenen Operator
EMI0005.0010
modifiziert ist. Natürlich können stattdessen auch Systeme ver wendet werden, bei denen die Geschwindigkeiten, mit denen sich die Kanzel bewegt, den nachgeahmten Geschwindigkeiten des Flugzeugs, modifiziert durch diesen Operator, entsprechen, oder auch Systeme, bei denen die auf die Kanzel ausgeübten Kräfte und Drehmomente den auf das Flugzeug im freien Flug wirkenden Kräften und Drehmomenten, modifiziert durch diesen Operator entsprechen.
Dem in Fig. 3d veranschaulichten System liegt die Gleichung (2) zugrunde. Es wird also eine die Geschwindigkeit verkörpernde Spannung (#s) er zeugt, welche die Kanzel des Lehrgeräts mit einer nachgeahmten Geschwindigkeit antreibt.
Bei dem System der Fig. 3e entspricht die Wir kung der Gleichung (3). Es wird also eine Spannung erzeugt, welche eine Beschleunigung verkörpert, um bestimmte Kräfte auf die Kanzel auszuüben.
Gemäss der Fig. 3d wird ein Geschwindigkeits- oder Integrier-Servogerät verwendet, das die Kanzel mit einer Geschwindigkeit #s antreibt. Die Rück führung 3 misst das Mass der Verstellung der Kanzel und erzeugt eine Spannung kXs, welche dieser Ver stellung entspricht und in das Überlagerungsgerät 1 eingebracht wird. Gemäss Fig. 3e empfängt das Servo-Gerät eine Eingangsspannung Xs und übt auf die Kanzel eine der Grösse Xs proportionale Kraft aus. Die Rück führung 3 misst die Geschwindigkeit, mit welcher die Kanzel verstellt wird und liefert den Begriff kXs der Gleichung (3).
Nachstehend sei nun die Ausrüstung im einzelnen beschrieben, die man beim Bau der Systeme verwenden kann.
Fig. 4 zeigt die Schaltung für ein Querneigungs- ,system. Dabei sind bestimmte Teile als Rechtecke dargestellt, um einen klaren überblick zu ermögli- chen. Bei dem in Fig. 4 veranschaulichten System handelt es sich um das in Fig. 3a gezeigte oben erläuterte Prinzip. Eine Spannung entsprechend dem Querneign mgswinkel,
auf den die Kanzel eingestellt werden soll, wird im Gerät U-401 erzeugt. Es han delt sich bei diesem Gerät um das bekannte Rechen gerät zur Bestimmung des Querneigungswinkels, wie es bei Lehrgeräten für Flugschüler verwendet wird. Die Spannung wird einem überlagerungsverstärker U-402 zugeleitet. Ein Servo-Verstärker U-403 und der Servo-Motor M-300 dienen dazu, die Welle 31 einzustellen und dadurch die Kanzel 35 um ihre Längsachse zu kippen.
Der Rückführung dient beim dargestellten Beispiel ein Geberpotentiometer R-401, der die Querneigung der Kanzel mit Bezug auf ihre waagerechte Lage misst und eine entsprechende Spannung liefert, die dem Empfängerpotentiometer R-402 zugeführt wird. Dieses liefert eine entspre chende Spannung an das Integriergerät U-404.
Wenn nun der Flugschüler die in der Kanzel vorgesehene Steuerung in einer Weise bedient, wie sie erforderlich ist, um das Flugzeug wieder aufzurichten, dann reagiert das Rechengerät U-401 darauf in der Weise, dass die von ihm gelieferte Spannung zu Null wird, und der Servo-Motor M-300 ist dann so angetrieben worden, dass sich die Kanzel 35 in aufgerichteter Stellung befindet.
Wenn der Flugschüler die Steue rung so betätigt, dass dadurch eine plötzliche Querneigung hervorgerufen wird, dann liefert das Rechengerät U-401 eine Spannung, die den Gleich gewichtszustand des Servo-Geräts U-403 stört, und dadurch wird dann die Kanzel 35 plötzlich um ihre Längsachse gekippt. Wenn der Flugschüler trotzdem den Steuerknüppel in seiner neutralen Mittelstellung festhält, dann würde das zur Folge haben, dass, wenn es sich um ein wirkliches Flugzeug handeln würde, dieses mit erheblicher Querneigung weiter fliegen würde. Wenn beim Lehrgerät der Schüler alsdann den Steuerknüppel in die Mittelstellung bringt, dann wird die Querneigung der Kanzel all mählich wieder rückgängig gemacht.
Zu diesem Zweck wird vom Nachlauf-Potentiometer R-401 und dem Integriergerät U-404 eine der Rückstellung der Kanzel dienende Spannung abgeleitet. Sobald die Kanzel quer geneigt wird, wird eine dem Quernei gungswinkel entsprechende Spannung (Xs) dem Integriergerät U-404 zugeführt. Das bedeutet aber, dass das Integriergerät U-404 eine allmählich wach sende Ausgangsspannung liefert. Diese sorgt dafür, dass die Kanzel in ihre Mittellage zurückgestellt wird.
Da ein Flugzeugführer den anfänglichen Impuls einer Beschleunigungskraft stärker empfindet, nimmt der Flugschüler die anfängliche plötzliche Verstellung der Kanzel aus ihrer Mittelstellung sofort wahr, wäh rend ihm die langsam und allmählich wirkende Rückstellkraft nicht so fühlbar wird. Aus diesem Grunde wird der Flugschüler die sich bei wirklichem Flug ergebenden Eindrücke wirklichkeitsgetreu nach empfinden.
Selbstverständlich ist das in der Kanzel ange ordnete Instrument, das die Lage des Flugzeugs an zeigt, in der üblichen Weise geschaltet, so dass es den durch die Kanzel nachgeahmten Querneigungs winkel richtig wiedergibt, obgleich die Kanzel durch die vom Integriergerät U-404 gelieferte Hilfsspan nung in ihre Mittelstellung zurückgeführt wird, ob gleich also, in anderen Worten, der Mittelwert der Kanzelverstellung zu Null wird.
Es liegt in der Natur der mechanischen Anord nung der Lernkanzel, dass sich diese nicht unbe grenzt bewegen kann. Aus diesem Grunde ist es in Grenzfällen nicht möglich, die Bewegungen eines Flugzeugs genau nachzuahmen. Wenn also beispiels weise versucht würde, den Querneigungswinkel des Flugzeugs in derselben Richtung wiederholt plötzlich zu ändern, so dass die Kanzel 35 bis in eine ihrer Grenzstellungen gekippt würde, dann würden sich weitere plötzliche Änderungen des Querneigungswin kels in derselben Richtung nicht mehr nachahmen lassen.
Die Beziehung zwischen der wirklichen Bewegung eines Flugzeugs und der Bewegung der Kanzel eines Lehrgeräts wird durch die oben angegebene 17ber- tragungsfunktion ausgedrückt. Bei manchen Ausfüh rungsformen der Erfindung kann es erwünscht sein, diese Beziehung nichtlinear zu gestalten, was durch Verwendung eines nichtlinear wirkenden Nachlauf- Potentiometers geschehen kann. Bei einem solchen System ahmt die Kanzel den Neigungswinkel des Flugzeugs genau nur in einem kleinen Winkelbereich nach. Bei grösseren Querneigungswinkeln werden diese nur zu einem Bruchteil nachgeahmt.
Ob es wün schenswert ist, grosse Änderungen des Querneigungs winkels nachzuahmen, hängt von den Flugeigenschaf ten des jeweiligen Flugzeugs ab, das durch die Kanzel darzustellen ist. Man versteht ohne weiteres, dass die Verwendung einer nichtlinearen Beziehung darauf hinausläuft, in der Gleichung (1) den Begriff k_" \t Xs dt durch den Begriff k ( f (Xs) dt zu ersetzen.
Da es zum Teil von der jeweiligen Lage des Flugzeugs abhängt, wie stark der Flugzeugführer Beschleunigungskräfte empfindet, kann es bei man chen Ausführungsformen der Erfindung erwünscht sein, das Verhältnis zwischen der Flugzeugbewegung und der Kanzelbewegung zu einer Funktion der je weiligen Lage des Flugzeugs zu machen.
Dies läuft darauf hinaus, dass in den Gleichungen der Begriff k1 ersetzt wird durch<I>k -</I> f(Xa). Wenn bei dem oben erörterten Beispiel der Fig. 4 das Querneigungsre- chengerät seine Ausgangsspannung mit Hilfe eines servomotorisch eingestellten Potentiometers liefert, dann kann dieses Potentiometer mit einer die ge wünschte Funktion verkörpernden Wicklung versehen sein.
Liefert das Rechengerät seine Ausgangsspan nung mit Hilfe eines Miller-Integrators, dann kann dieser unter Verwendung bekannter analoger Rechen geräte so beschaffen sein, dass er nichtlinear wirkt.
Es ist klar, dass die Geschwindigkeit, mit der die Kanzel des Geräts nach ihrer vorübergehenden Verstellung wieder in die Mittelstellung zurückge bracht wird, von der Zeitkonstante des Rückführ- Stromkreises abhängt.
Wird der Schieber des Poten- tiometers R-402 an das obere Ende seiner Wicklung verschoben (mit Bezug auf Fig. 4), dann liefert das Integriergerät U-404 die Rückstellspannung viel schneller, als es der Fall wäre, wenn das Potentio- meter R-402 nur einen niedrigen Anteil der Nach laufspannung in das Integriergerät U-404 einführen würde..
Da die Wirkung von Beschleunigungskräften sich nach bestimmten Fluggrössen richtet, zum Bei spiel der Mach-Zahl, der Luftgeschwindigkeit, dem Staudruck usw., ist es erwünscht, die Zeitkonstante des Stromkreises dieser Grösse entsprechend zu be messen. Zu diesem Zweck kann der Schieber des Potentiometers R-402 selbsttätig entsprechend einer derartigen Fluggrösse verstellt werden. Wenn das geschieht, kann der Flugschüler infolge des dyna mischen Verhaltens der Kanzel noch wirklichkeits getreuer die sich bei freiem Fluge ergebenden Emp findungen nacherleben.
Es ist klar, dass die Verstellung des Schiebers des Potentiometers R-402 in der Wirkung darauf hinausläuft, den Begriff k2 in der Gleichung (1) zu ersetzen durch den Begriff f (M), f (V) oder f (q), in welchem M, V und q die Mach-Zahl, die Luftgeschwindigkeit und den Stau druck darstellen. Auch kann die Zeitkonstante des betreffenden, in Fig. 4 verwendeten Integriergeräts abgeändert werden, um die gleichen Wirkungen zu erzielen.
Da die in Fig. 3 dargestellten Schaltungen die selbe Übertragungsfunktion aufweisen, ist ihre Wir kungsweise ähnlich. Sie besteht jeweils in einer Bewegung, ähnlich wie sie im freien Flug auftreten würde, und aus einer sich anschliessenden allmähli chen Rückführbewegung. Beim dargestellten Beispiel handelt es sich in Fig. 3a um eine Querneigungs steuerung. Dasselbe System eignet sich aber auch für andere Flugzeugbewegungen. Das gilt für jedes ein zelne der in Fig. 3 gezeigten Systeme. Sie können für Drehbewegungen oder translatorische Bewegun gen benutzt werden.
Auch versteht es sich, dass statt einer elektrischen Schaltung mit elektrischem Servo- Motor und elektrischer Analogieschaltung auch hy draulische, pneumatische oder mechanische Systeme verwendet werden können, bei denen die üblichen analogen Rechengeräte und Instrumente zur Verwen dung gelangen.
Fig. 6 zeigt schematisch ein System, das die grundsätzliche Schaltung der Fig. 3e benutzt, aber eine seitliche translatorische Bewegung der Kanzel steuert. Dabei gelangt ein Servo-Gerät U-601 zur Verwendung. Es handelt sich dabei um ein übliches Rechengerät, wie es bei Lehrgeräten für Flugschüler benutzt wird, um seitliche Kräfte oder Beschleunigun gen zu berechnen. Dieses Gerät U-601 stellt den Schieber eines Potentiometers R-601 entsprechend den seitlichen Kräften ein, die das Gerät U-601 errechnet hat. Durch die Einstellung des Potentio meters R-601 wird eine entsprechende Spannung in den Überlagerungsverstärker U-602 eingeführt. Die Ausgangsspannung aus diesem Verstärker wird einem Servo-Verstärker U-603 zugeführt. Dieser verstärkt die Spannung und führt sie dem Servo-Ventil V-601 zu.
Dieses Servo-Ventil steuert wiederum das Druck mittel, das von einer entsprechenden Druckmittel quelle geliefert wird und unter Steuerung durch das Ventil der rechten oder linken Seite eines Druck mittelzylinders Y zugeführt wird. Es kann sich dabei um eine Druckflüssigkeit oder Druckluft handeln. Der entstehende Druck entspricht der Seitenkraft, die auf das Flugzeug wirkt, modifiziert durch den ange gebenen Operator. Die Kolbenstange des Kolbens, der im Zylinder Y läuft, übt diese Kraft auf den inneren Kardanrahmen 28 aus und damit seitlich auf die Kanzel 35. Durch eine Zahnstange 61 und ein Ritzel 62 ist mit dem hydraulischen Antrieb ein Tachometer-Generator G gekuppelt.
Dieser liefert daher eine Spannung, welche der Geschwindigkeit entspricht, mit der die Kanzel verstellt wird. Die Spannung wird dem überlagerungsverstärker U-602 zugeführt. Wie oben erwähnt, entspricht dieses Sy stem der Gleichung (3).
Gemäss den Fig. 3c und 3e werden die Geschwin- digkeitsgrössen zur Rückführung verwendet. Da das Höchstmass der zulässigen Winkelverstellung oder geradlinigen Verstellung der Kanzel mechanisch be grenzt ist, können Fehler oder Ungenauigkeiten in der Steuerung, die sich addieren, dazu führen, dass die Mittellage des Systems abwandert. Aus diesem Gxlunde sind die Systeme der Fig. <I>3a, 3b</I> und 3d vorzuziehen.
Man kann aber auch nicht dargestellte Potentiometer anordnen, welche die Lage messen und entsprechende Korrekturgrössen bei den Syste men der.Fig. 3c und 3e überlagern, um dadurch den Rücklauf der Kanzel in die wirkliche Mittellage zu erzwingen. Ein derartiges Potentiometer liefert eine kleine Hilfsspannung, die zusätzlich in das Tlberlage- rungsgerät eingeführt wird.
Das hat die Wirkung, zur rechten Seite der Gleichung (3) noch den Begriff kXs hinzuzufügen und auch den nachfolgenden Ausdruck wie folgt zu modifizieren
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Unter normalen Umständen ist es erwünscht, dass dieser zusätzliche, die Lage bestimmende Hilfsimpuls im Verhältnis zu den anderen Impulsen klein be messen wird. Es ist klar, dass, wenn k3 in der Glei chung nach Null geht, sich die Gleichung (4) ergibt.
Bei manchen Ausführungsformen der Erfindung kann es erwünscht sein, keine einzelnen unabhängigen Antriebe für jede Richtung der Kanzelverstellung vorzusehen, sondern stattdessen zwei in Beziehung zueinander stehende Antriebe anzuordnen, welche mehrere Arten von Verstellungen bewirken können.
Das mag an einem Beispiel erläutert werden, bei welchem es sich darum handelt, einerseits die Längs neigung und andererseits die Höhe zu ändern. Dabei kann man zwei Antriebe vorsehen, die in ihrer Zu sammenwirkung beides erreichen. So zeigt Fig. 5, dass auf die Kanzel vorn und hinten je ein Hubzylin der 501 bzw. 502 wirkt. Um die Höhenlage der Kanzel zu ändern, werden die Kolben in den beiden Zylindern um gleiche Hübe in der gleichen Richtung verstellt. Um die Längsneigung zu verändern, bewir ken die Kolben eine unterschiedliche Verstellung.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise sei angenom men, dass der Flugschüler die Steuermittel in der Kanzel so betätigt, dass dadurch, wenn es sich um ein Flugzeug handeln würde, die Höhe abnimmt, ohne die Längsneigung zu ändern. Das übliche Servo- Rechengerät für die Höhe reagiert auf eine solche Betätigung der Steuerungen der Kanzel damit, dass es den Schieber des Potentiometers R-501 abwärts verstellt.
Das hat die Wirkung, dass eine vorüber- bestehenden Schaltung und zur Änderung der Über tragungsfunktion unterschiedliche Beträge der Kon densatorspannung je nach der Luftgeschwindigkeit, der Mach-Zahl oder des Staudruckes zur Erde ablei ten kann, und zwar mit Hilfe servomotorisch ver stellbarer Potentiometer, in derselben Weise wie oben beschrieben.
Das in Fig. 5 gezeigte System bietet eine weitere Möglichkeit, dieselbe Übertragungsfunktion in einer elektrischen Schaltung zu verkörpern. Wenn die Span nung Xa, die von einem Rechengerät geliefert wird und eine nachgeahmte Fluggrösse verkörpert, dem Kondensator C-501 von dem Schieber des Potentio meters R-501 zugeleitet wird, dann nehmen die Spannungen am Kondensator C-501 und am Wider stand R-515 den folgenden zeitlichen Verlauf gehende negative Spannung über den Kondensator C-501 und den Überlagerungswiderstand R-511 dem Eingangsstromkreis eines Servo-Verstärkers U-501 zugeführt wird. Die vorübergehende negative Span nung fliesst auch vom Kondensator C-501 über den Überlagerungswiderstand R-512 dem Eingangskreis des Servo-Verstärkers U-502 zu.
Amplitude und Dauer der negativen Spannung hängen davon ab, wie schnell und in welchem Ausmass das Flugzeug sinken würde. Die Überlagerungswiderstände R-511 und R-512 können gleich gross sein. In diesem Falle gelangen gleiche negative Spannungsimpulse zu den beiden Servo-Verstärkern. Jeder von ihnen betätigt sein Servo-Ventil. Das führt dazu, dass in den beiden Zylindern 501 und 502 die Kolben um gleiche Be träge herabgehen. Die Kanzel sinkt daher ohne Än derung ihres Längsneigungswinkels.
Mit der Kanzel sind mechanisch die Schieber von Nachlaufpotentio metern R-513 und R-514 verbunden, welche die Verstellung der Kanzel messen und entsprechende Nachlaufimpulse den Servo-Verstäkern U-501 und U-502 zuführen, welche den augenblicklichen Ver stellungen der Kanzel verhältnisgleich sind. Das Mass, um das die Kanzel sinkt, hängt dabei von der abwärts gerichteten Beschleunigung ab, die durch das Rechen gerät vorgeschrieben ist.
Nunmehr sei angenommen, dass der Flugschüler die in der Kanzel befindlichen Steuermittel so bedient, dass, wenn es sich um ein Flugzeug handeln würde, dieses sich abwärts neigt, ohne jedoch an Höhe zu verlieren. Das in Fig. 5 links unten angedeutete übliche Rechengerät für den Längsneigungswinkel verstellt die Arme der Potentiometer R-502 und R-503 abwärts. Über die Kondensatoren C-502 und C-503 und Widerstände R-506 und R-507 erhalten dadurch die Servo-Verstärker U-501 und U-502 entgegengesetzte, aber gleich grosse Spannungsim pulse, das Gerät 501 einen positiven und das Gerät 502 einen negativen. Infolgedessen wird die Kanzel nach vorn gekippt.
Da sich aber die Kondensatoren C-502 und C-503 über die Widerstände R-515 und R-516 allmählich entladen, wird alsdann die Kanzel allmählich wieder aufgerichtet. Wenn der Flugschüler gleichzeitig eine Höhenänderung und eine Änderung des Längsneigungswinkels herbeiführt, überlagern sich die Impulse, so dass die Kanzel eine Längsnei gung erhält und gleichzeitig in der mittleren Höhe verstellt wird. Es können auch andere miteinander verwandte Bewegungen nach diesem Prinzip gruppen weise gesteuert werden.
Das gilt beispielsweise für Kursänderungen und seitliche Abtrift. Auch diese können dadurch nachgeahmt werden, dass auf die Kanzel Kolben oder Motoren wirken, die bei unter schiedlicher Einwirkung die Kanzel in einer waage rechten Ebene verschwenken, aber bei übereinstim mender Einwirkung eine seitliche translatorische Verstellung der Kanzel herbeiführen. Man ersieht ohne weiteres noch verschiedene andere Möglichkei ten.
Er begreift auch, dass man zur Änderung der Zeitkonstante der aus Kondensator und Widerstand
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Bezeichnet man die Spannung am Widerstand R-515 mit Xs und den Widerstand selbst mit R, so kann man diese Formel wie folgt schreiben
EMI0008.0023
Differenziert man diese Gleichung, so erhält man
EMI0008.0024
Stellt man diese Formel um und setzt man p an die Steile der Abteilung, so ergibt sich
EMI0008.0025
Da R und C Konstanten sind, ist dieser Operator derselbe wie in den Gleichungen (1)-(3)
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Ulan sieht also, dass die Spannung an der Klemme 500 der nachgeahmten Fluggrösse, modifi ziert durch den Operator entspricht und sich daher dazu eignet, die Bewegung der Kanzel zu steuern. Weiter ist es klar, dass, wenn man den Widerstand R-515 ändert, zum Beispiel entsprechend der Mach zahl, dadurch die Konstante k geändert wird.
Bei den beschriebenen Schaltungen handelt es sich lediglich um wenige Beispiele für zahlreiche Möglichkeiten, die einander gleichwertig sind. Es lassen sich daher zahlreiche andere Schaltungen ent wickeln, welche gewünschte Übertragungsfunktionen verkörpern. Als Anleitung hierzu mag Kapitel 1I des Buches Transients in Linear Systems , Band I von Gardner und Garnes dienen. Bei dem oben erläuter ten Beispiel gelangt ein besonderer linearer Operator zur Verwendung. Es versteht sich jedoch, dass dieser Operator F (p) durch Konstanten oder Begriffe hö herer Ordnung für p abgewandelt werden kann.
Es lässt sich zeigen, dass es sich beim Operator F (p) um einen solchen handeln muss, der, wenn man p als Variable auffasst einen nicht über die erste Ordnung hinausgehenden Pol dicht am Ausgangs punkt hat, wie durch den Leitsatz 14 auf Seite 265 des oben zitierten Buches von Gardner und Garnes erläutert. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen gelangen Rechengeräte zur Verwendung, die elek trische Analogieschaltungen verwenden. Stattdessen können aber auch hydraulische, pneumatische und mechanische Äquivalente verwendet werden. Welche Äquivalente in Betracht kommen, ergibt sich aus der Veröffentlichung Analysis and Design of Trans- lator Chains von H.
Ziebolz, veröffentlicht im Jahre 1946 von der Askania Regulator Company, Chicago, Illinois.