Steueranordnung an einem Tragflügelboot Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steueranord nung an einem Tragflügelboot, vorzugsweise des Typs, bei dem die Tragflügel während der Fahrt ganz im Was ser liegen.
Bei automatischen Steueranordnungen dieser Art ist ausser guter Stabilität und Manövrierbarkeit auch er forderlich, dass die Beschleunigungen in den Personen räumen, die auf Grund der Wellenbewegungen entste hen, auf ein akzeptables Niveau reduziert werden. Es ist verhältnismässig einfach, bei ruhiger See Stabilität zu erhalten, umso schwieriger ist es aber, das Boot bei See gang kontrollieren zu können.
Solange die Wellen niedriger als die Tragflügelstre- ben sind, kann das Boot theoretisch auf konstantem Ni veau gehalten werden, wobei der Krängungs- und der Stampfwinkel nahe Null sind. Das Steuersystem muss die Möglichkeit dieses Idealzustandes ausnutzen. Wenn dies bei einem in herkömmlicher Weise rückgekuppel- tem System verwirklicht werden soll, muss dieses jedoch sehr schnell arbeiten, wobei grosse Stabilitätsschwierig keiten auf Grund der Elastizität des Schiffskörpers und der Streben zu befürchten sind.
Durch die Erfindung kann man diese Schwierigkei ten umgehen. Die Erfindung bezweckt eine Steueran ordnung der eingangs erwähnten Art, die für Kompen- sierung von Störungskräften vom Wellengang vorgese hen ist und mindestens eine Steuerfläche enthält. Die Er findung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Einrichtung zum Messen der Geschwindigkeitskom ponente des Wassers in einer Richtung, die einen Win kel mit dem Tragflügel bildet aufweist, wobei das Aus gangssignal der Messeinrichtung einem Organ für die Einstellung der Steuerfläche zugeführt wird.
Hierdurch kann bei geeigneter Ausbildung der Anordnung der Steuerfläche eine Ablenkung gegeben werden, die zur Kompensierung der Einwirkung der Störungskraft er forderlich ist, die proportional der zum Tragflügel win kelrechten Geschwindigkeitskomponente des Wassers ist. Dies bedeutet, dass man bei einem einfachen Regelsy- stem, das mit Rücksicht auf die Stabilitätsforderungen bei ruhiger See bemessen ist, die Einwirkung der Steuer kräfte umgehen kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung wird die Geschwindigkeitskomponente des Wassers winkelrecht zum Tragflügel durch Messen des Anströ- mungswinkels des Wassers gegen den Tragflügel gemes sen. Das Messgerät kann aus einer Sonde oder derglei chen bestehen, die mit zwei im wesentlich symmetrisch angeordneten Masspunkten für die Druckmessung ver sehen ist, einem auf der Oberseite und einem auf der Unterseite der Sonde. Die Vorteile dieses Messorgans gehen aus dem Folgenden hervor.
In der beigefügten Zeichnung zeigt Fig. 1 als Ausfüh rungsbeispiel ein Tragflügelboot mit ins Wasser getauch ten Tragflügeln, von vorne gesehen. Fig. 2 zeigt dassel be Tragflügelboot, von der Seite gesehen, mit einer Steuerfläche am Tragflügel. Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Sonde zum Messen einer dem Anströmungswinkel des Wassers proportionalen Grösse, bzw. eine Messbrücke zum Ausrechnen des genannten Winkels.
Fig. 1 zeigt ein Tragflügelboot mit zwei vorderen Tragflügeln 11, 12 und einem hinteren Tragflügel 13, die während der Fahrt unter der Wasserfläche liegen.
Die Geschwindigkeitskomponente des Wassers, die winkelrecht zum Tragflügel ist, in diesem Fall die Ver tikalgeschwindigkeit, kann wie folgt bestimmt werden: a = Anströmungswinkel U = Geschwindigkeit des Bootes U, = Vertikalgeschwindigkeit des Wassers P = Stampfwinkel des Bootes (siehe Fig. 2) a = Vertikalbeschleunigung des Tragflügels v = Vertikalgeschwindigkeit des Tragflügels Man nimmt an, dass der Tragflügel parallel zur hori zontalen Referenzebene des Bootes ist. Wenn der Trag flügel drehbar ist, wird a im Verhältnis zur Neutrallage des Tragflügels gemessen.
Man erhält dann:
EMI0002.0002
woraus für kleine Werte von (a <I>-</I> y) die gewünschte Grösse entnommen wird U,=(a-!ül)-U+v=(a-zY)-U+Sa-dt Yf und a können mit herkömmlichen Gebern gemessen werden, z. B. mit einem Gyro 14 mit daran ange schlossenem Messorgan bzw. einem Akzellerometer, und um U<B>,</B> zu erhalten, muss man den Anströmungswinkel a messen.
Eine Anordnung zum Messen dieses Winkels ist in Fig. 3 gezeigt. Sie besteht aus einer Sonde, die an einem oder mehreren Tragflügeln in der Längsrichtung des Bootes angebracht ist. Man placiert sie zweckmässig an einem Punkt am Tragflügel, wo die Strömung ungestört ist. Die Sonde 15, die den Anströmungswinkel des Was sers am Tragflügel messen soll, ist stromlinienförmig und mit zwei symmetrisch angeordneten Messpunkten ver sehen, einem, 16, über und einem, 17, unter der Symme trieebene.
Für die in den Messpunkten 16 und 17 ge messenen Drücke gilt:
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Die Messung von kann zweckmässig mittels Anordnungen nach
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Fig. 4 erfolgen. Die Drücke p1 und p2 werden in zweckmässiger, an sich bekannter Weise in mit ihnen proportionale Impedanzen z1 und z2 umge wandelt, die nach Fig. 4 geschaltet sind.
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e und E siehe Fig. 4.
Man kann natürlich auch Differenzdruckmesser zum Mesen von p1 - p2 benützen und dies durch p1 + p2 oder Pp dividieren, was später an der Spitze 18 der Sonde 15 gemessen wird.
Das so erhaltene Signal, das proportional UP ist, wird zu dem Steuersignal addiert, das vom Steuerorgan des Bootes den drei Steuerflächen 19 und 20 zugeführt wird, die an den Tragflügeln 11, 12, 13 angebracht und in den gezeigten Fällen in den Winkeln dB, ds, dA zu den Trag- flügeln gestellt sind. Die übrigen Regelfunktionen für das Boot sind hier nicht gezeigt. Die Antriebsorgane des Bootes sind auch nicht dargestellt.
Man kann anstelle des Messorgans nach Fig. 1 eine Fahne einsetzen, die mit dem Tragflügel derart verbun den wird, dass die Kraft oder das Moment ihrer Verbin dung gemessen wird (in den Figuren nicht dargestellt). Die Kraft oder das Moment wird in dieser Anordnung proportional a und U2. Die Abhängigkeit von U2 kann vermieden werden, wenn man zwei Fahnen mit der Nei gung von + cao und - cao im Verhältnis zum Tragflügel anwendet.
Wenn die gemessenen Kräfte F1 und F2 sind, gilt für kleine a
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Gemäss dem Obigen ist die Fahne fest im Verhältnis zum Tragflügel. Man kann sie auch frei beweglich aus führen, und ihr Winkel mit dem Tragflügel wird dann . Mess- und Steuerorgane können auf allen oder auf ge wissen Tragflügeln angebracht werden.
Mess- und Steuerorgane können auf allen oder auf gewissen Tragflügeln angebracht werden.
Control arrangement on a hydrofoil The present invention relates to a control arrangement on a hydrofoil, preferably of the type in which the hydrofoils are entirely in the water during travel.
In automatic control arrangements of this type, in addition to good stability and maneuverability, it is also necessary that the accelerations in the people that arise due to the wave movements are reduced to an acceptable level. It is relatively easy to maintain stability in calm seas, but it is all the more difficult to be able to control the boat when the sea is rough.
As long as the waves are lower than the wing struts, the boat can theoretically be kept at a constant level, with the heel and pitch angles being close to zero. The control system must take advantage of this ideal situation. However, if this is to be achieved in a conventional feedback system, it must work very quickly, with great stability difficulties due to the elasticity of the hull and the struts.
The invention can circumvent these difficulties. The invention aims at a control arrangement of the type mentioned at the outset, which is provided to compensate for disruptive forces from the swell and which contains at least one control surface. The invention is characterized in that the arrangement has a device for measuring the speed component of the water in a direction which forms an angle with the wing, the output signal from the measuring device being fed to an organ for setting the control surface.
As a result, with a suitable design of the arrangement of the control surface, a deflection can be given, which he is required to compensate for the effect of the disturbance force, which is proportional to the speed component of the water at right angles to the wing. This means that with a simple control system that is dimensioned with regard to the stability requirements in calm seas, the effect of the control forces can be avoided.
In a preferred embodiment of the invention, the speed component of the water is measured at right angles to the wing by measuring the angle of attack of the water against the wing. The measuring device can consist of a probe or the like, which is provided with two essentially symmetrically arranged measuring points for pressure measurement, one on the top and one on the bottom of the probe. The advantages of this measuring device emerge from the following.
In the accompanying drawings, Fig. 1 shows as Ausfüh approximately example a hydrofoil with hydrofoils dipped into the water, seen from the front. Fig. 2 shows the same hydrofoil, seen from the side, with a control surface on the hydrofoil. 3 and 4 show a probe for measuring a quantity proportional to the angle of the inflow of the water, and a measuring bridge for calculating the angle mentioned.
Fig. 1 shows a hydrofoil with two front hydrofoils 11, 12 and a rear hydrofoil 13, which are under the water surface during travel.
The speed component of the water, which is at right angles to the wing, in this case the vertical speed, can be determined as follows: a = angle of approach U = speed of the boat U, = vertical speed of the water P = pitch angle of the boat (see Fig. 2) a = Vertical acceleration of the wing v = vertical speed of the wing It is assumed that the wing is parallel to the horizontal reference plane of the boat. If the wing is rotatable, a is measured in relation to the neutral position of the wing.
We then get:
EMI0002.0002
from which the required size is taken for small values of (a <I> - </I> y) U, = (a-! ül) -U + v = (a-zY) -U + Sa-dt Yf and a can be measured with conventional encoders, e.g. B. with a gyro 14 with an attached measuring element or an Akzellerometer, and in order to get U <B>, </B>, you have to measure the angle of attack a.
An arrangement for measuring this angle is shown in FIG. It consists of a probe that is attached to one or more hydrofoils in the longitudinal direction of the boat. They are conveniently placed at a point on the wing where the flow is undisturbed. The probe 15, which is to measure the angle of incidence of the water on the wing, is streamlined and see ver with two symmetrically arranged measuring points, one, 16, above and one, 17, below the plane of symmetry.
The following applies to the pressures measured at measuring points 16 and 17:
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The measurement of can expediently by means of arrangements according to
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4 take place. The pressures p1 and p2 are converted in an appropriate manner known per se into impedances z1 and z2 proportional to them, which are connected according to FIG.
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e and E see Fig. 4.
One can of course also use differential pressure meters to measure p1 - p2 and divide this by p1 + p2 or Pp, which is measured later at the tip 18 of the probe 15.
The signal obtained in this way, which is proportional to UP, is added to the control signal sent by the control unit of the boat to the three control surfaces 19 and 20 which are attached to the wings 11, 12, 13 and, in the cases shown, at the angles dB, ds, dA are placed next to the wings. The other control functions for the boat are not shown here. The drive units of the boat are also not shown.
Instead of the measuring element according to FIG. 1, a flag can be used which is connected to the wing in such a way that the force or the moment of its connection is measured (not shown in the figures). The force or moment is proportional to a and U2 in this arrangement. The dependency on U2 can be avoided by using two flags with the inclination of + cao and - cao in relation to the wing.
If the measured forces are F1 and F2, then for small a
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According to the above, the flag is fixed in relation to the wing. They can also be made to move freely, and their angle with the wing then becomes. Measuring and control elements can be installed on all or on certain wings.
Measuring and control elements can be installed on all or on certain wings.