Kreiselapparat zur Messung der seitlichen Schräglage von Flugzeugen. Beim Steuern eines Flugzeuges hat der Flieger dessen Lage zum Horizont zu beach ten: Beim Geradeausflug muss es wageecht liegen, (die eine Tragfläche ebenso hoch wie die andere), beim Kurvenflug aber mehr oder weniger schräg (die nach dem Innern der Kurve gerichtete Trag@$äche tiefer, die nach aussen gerichtete höher); je nachdem die Kurve enger oder flacher ist. Wird diese Bedingung nicht eingehalten, so gerät das Flugzeug in Gefahr, seitlich abzurutschen und zu stürzen.
Solange die Erdoberfläche und der Hori zont sichtbar sind, entstehen keine Schwierig keiten : Der Flieger kann in jedem Augen blick ohne weiteres erkennen, ob das Flug zeug geradeaus oder in einer Kurve fliegt und ob es die der jeweiligen Flugrichtung entsprechende horizontale oder mehr oder weniger schräge Lage hat, und Darin ge gebenenfalls durch Handhabung der Steuerung die Lage richtigstellen. Befindet sich der Flieger aber im Nebel oder in den Wolken und sind Erdoberfläche und Horizont nicht sichtbar, so kann er auch Lage und Flug- richtung nicht erkennen, bedarf vielmehr be sonderer Hilfsmittel hierzu.
Ein solches Hilfsmittel ist der Kreisel apparat gemäss der Erfindung zur Messung der seitlichen Schräglage von Flugzeugen. Bei demselben ist der Kreisel als allseitig bewegliches gedämpftes Kreiselpendel mit in der Ruhelage senkrechter Achse ausgebildet, und die Ablesevorrichtung ist mit einer Pendel vorrichtung von kurzer Schwingungsdauer, welche geeignet ist, die Richtung der schein baren Lötlinie, das heisst der Resultante aus Erdschwere und Trägheitskraft;
anzuzeigen, derart verbunden, dass man mit einem Blick die Differenz zwischen der scheinbaren Lot- liriie und der Erdschwere ablesen kann. Da bekanntlich die Achse des Kreiselpendels ihre Lage im Raum beizubehalten strebt, so er möglicht ein derart ausgebildeter Apparat. mittelst der Stellung des Kreiselpendels die Richtung der wahren Lotlinie festzustellen.
Da sich ferner die mit kurzer Schwingungs zeit ausgestattete Pendelvorrichtung, beispiels weise eine Libelle oder ein gewöhnliches Pendel, stets in der Richtung der scheinbaren Lotlinie, das heisst der Resultante aus Erd- schwere und Trägheitskraft einstellt, so ge stattet ein Vergleich beider Richtungen dem Flieger ohne weiteres festzustellen, ob er geradeaus oder in einer engere oder flachere Kurve fliegt, und ob die Lage des Flug zeuges dementsprechend richtig ist.
In der beiliegenden Zeichnung ist in Fig. 1 bis 7 eine Ausführungsform der Er findung dargestellt. Fig. 1 und 2 zeigen zwei um<B>90"</B> gegeneinander verdrehte Seitenan sichten, Fig. 3 eine Oberansicht; Fig. 4 und 5 stellen Einzelheiten dar, und Fig. 6 und 7 erläutern die Art der Ablesung; Fig. S und 9 zeigen eine weitere Vervollkommnung der Dämpfungseinrichtung des Kreiselpendels.
In der Kreiselkappe a (Feg. 1 bis 3) ist ein Kreiselkörper mit senkrechter Drehachse untergebracht, der auf der Zeichnung nicht sichtbar ist. Die Kreiselkappe mit dem Kreiselkörper ist mit einer wagrechten Achse in Lagern b und c pendelnd aufgehängt; ihr Schwerpunkt liegt mehr oder weniger unter halb der Achse b, c, und sie stellt daher ein Pendel dar, das einen Kreisel trägt, also ein "Kreiselpendel\ in dein zuerst von Prof. Föppl angegebenen Sinne.
Die Lager b und c werden von einem Kardanring d getragen, der seiner seits in den Lagern e und f um eine zweite wagrechte Achse schwingen kann, die uni 90 gegen b, c versetzt ist. Die Lager e und f' sind in den Stützen g und h befestigt, die Bestandteile des Gehäuses i bilden, das samt dein äussern Schutzkasten k am Flugzeug befestigt ist und an dessen Bewegungen teil nimmt. Der Kreisel ist nun mit einer Vor richtung versehen, durch die seine Schwingun gen um die Achse e f' wirksam gedämpft werden. Das kann in verschiedener Weise geschehen.
In der dargestellten Ausführungs form der Erfindung ist hierfür die aus der Schweizer Patentschrift 4424 bekannte Vor richtung verwendet: Der rasch laufende Kreisel drängt infolge der Zentrifugalkraft die Luft, die durch Öffnungen in der Nähe der Rotationsachse in die Kreiselkappe ein tritt, an den -Umfang derselben, aus der sie durch zwei Düsen o und 2) in zwei Strahlen austritt.
In Lagere> r und s ist an der Kreisellappe ein leichtes Hilfspendel q mit kurzer Schwingungsdauer gelagert, das mit zwei Platten versehen ist, die die Luftstrahlen düsen je zur Hälfte abdecken, wenn sowohl Kreiselkappe a als Hilfspendel q die gleiche Lage besitzen. Sobald indessen eine Winkel veränderung zwischen a und q eintritt, wird die eine der Düsen mehr abgedeckt und die andere weiter eröffnet, so dass die Reaktions wirkung beider Luftstrahlen, die vorher sich ausglich, ungleich wird und ein Drehmoment um die Achse<I>e f</I> auf die Kreiselkappe aus übt, das sich den Schwingungen um die Achse entgegenstellt.
Dadurch aber werden bekanntlich bei richtigem Drehsinn des Krei sels auch die Schwingungen der Kreiselkappe um die Achse b e, das ist die Schwingungs achse des Kreiselpendels, auf das wirksamste gedämpft, und dieses verbleibt daher stets, auch beim Kurvenflug, in der Richtung der wahren Lotlinie.
Der Kardanring d trägt einen durch das Lager j' ragenden Fortsatz G, auf dem eine undurchsichtige Scheibe m befestigt ist. Diese Scheibe ))t ist, wie in Fig. 4 angedeutet, in einen obern Halbkreis nti von heller Farbe und einen untern Halbkreis ))a2 vor) dunkler Farbe eingeteilt.
Die dein Flugzeugführer zugekehrte senkrechte Seite yt des Schutz kastens k ist aus einem durchsichtigen kIate- rial, wie Glas oder Zelluloid, gefertigt und trägt das Bild eines Flugzeuges, wie in Fig. 5 angedeutet.
Da die Scheibe m fest mit dem Kardän- ring d verbunden ist, so dreht sie sich um ihren Mittelpunkt nur insoweit, als der Kreisel um die Achse e f schwingt. Treten solche Schwingungen aber ein, so werden, wie er wähnt, die damit gekoppelten Schwingungen um die Pendelachse b c sofort gedämpft und damit auch, wie bekannt, die Schwingungen um die Achse e f; so dass die Scheibe prak tisch sich nicht dreht und die Trennungslinie zwischen 7)a1 und 9)t2 die Richtung des wirk lichen Horizontes beibehält, also wagrecht verbleibt.
Das Bild des Flugzeuges aber, das auf der an diesem befestigten durchsich tigen Scheibe ic angebracht ist, verbleibt in wagrechter Lage natürlich nur so lange, wie das Flugzeug selbst sich in wagrechter Stel- lung befindet.
So lange dieses horizontal liegt; erblickt der Führer das Bild des Flug zeuges der Scheibe ra über der undurchsichtigen Scheibe<I>na</I> so; wie in Fig. 6 dargestellt: Eine durch das wagrecht liegende Flugzeug ge dachte Horizontalebene verläuft parallel der Trennungslinie zwischen ml und gaa2. Neigt sich indessen zutn Beispiel der rechte Flügel nach unten, so macht nur das Flugzeugbild auf der Scheibe ia, nicht aber die durch den Kreisel stabilisierte Scheibe in diese Neigung mit, so dass der Gesamteindruck der Fig. 7 entsteht.
Der Flugzeugführer erhält demnach im kleinen ein. getreues Bild der Lage seines Flugzeuges gegen den Horizont, denn der helle Halbkreis der Scheibe gu stellt das Himmelsgewölbe über dem Horizont, der dunkle Teil die sichtbare Erd- oder Wasser oberfläche am Horizont dar, und die Tren nungslinie zwischen beiden die sogenannte Kimm. Der Flugzeugführer kann also auf Grund der Angaben des Apparates in der selben Weise den Verwindungshebel zum Wiederaufsichten des Flugzeuges bedienen, wie er dies nach dem Anblick des Horizontes zu tun gewöhnt ist, auch wenn er diesen selbst infolge von Nebel oder Dunkelheit nicht erblicken kann.
Um genaue Ablesungen der Schräglage zu ermöglichen, sind am Rande der durchsichtigen Scheibe n eine Reihe von Teilstrichen vorgesehen, die mit entsprechen den Gradzahlen beziffert sind. Wird der Apparat von innen heraus beleuchtet, so braucht von der Scheibe in nur die untere Hälfte vorhanden zu sein.
Nun genügt aber die Messung der Lage des Flugzeuges zur wahren Lotlinie noch nicht. Der Führer muss vielmehr in jedem Augenblick auch die Richtung der schein baren Lotlinie, das heisst der Resultante aus Erdschwere und Trägheitskraft feststellen können, um zu wissen, ob das Flugzeug auch gegen die Gefahr des seitlichen Abrutschens gesichert ist. Hierzu ist bekanntlich ein stark gedämpftes, kurzschwingendes Pendel oder ein Flüssigkeitshorizont brauchbar, der aus zwei kommunizierenden Röhren oder einem ge bogenen Glasrohr besteht, das eine gefärbte Flüssigkeit enthält.
Dieses letztere Mittel ist auch bei dem dargestelltenAusführungsbeispiel angewendet: Am äussern Gehäuse 1c ist kon zentrisch zur Ablesescheibe n eine kreisförmig gebogene Röhre t (Fig. 2 und 3) angeordnet, die zum Teil mit einer gefärbten Flüssigkeit gefüllt ist. Damit die Schwingungen der Flüssigkeit zur Erleichterung der Ablesung gedämpft werden, kann entweder ein dem Rohrdurchmesser entsprechend zähes ()1 ver wendet werden, oder die Röhre t kann an geeigneter Stelle eine Einschnürung besitzen.
Die scheinbare Lotlinie neben der wahren, und damit die Differenz zwischen beiden, an ein und derselben Skala ohne weiteres ab lesen zu können, ist für die rasche und zu treffende Beurteilung der Lage des Flugzeuges im Raume bei unsichtigem Wetter von gröss tem Wert. Denn der Kreisel allein gibt nur an, ob das Flugzeug schräg liegt, und der Flüssigkeitshorizont allein zeigt nur die Rich tung der Resultante aus Erdschwere und Träg heitskraft an. Dagegen lässt die Differenz beider Angaben erkennen, ob das Flugzeug für die jeweilige Flugkurve die richtige Schräg lage besitzt.
In Fig. 6 ist dargestellt, wie sich die Ablesung eines ebenen Geradeausfluges ge staltet, in Fig. 7 dagegen der Fall einer engen Rechtskurve, bei der das Flugzeug die richtige Schräglage besitzt.
Zur nähern Erläuterung des Wesens der Erfindung mag noch darauf hingewiesen wer den, dass ein gewöhnliches Pendel oder eine Libelle zur Ermittlung der wahren Lotlinie auf dem Flugzeug nicht brauchbar sind, weil sie beim Kurvenflug ausser durch die Erd- schwere noch durch die Zentrifugalkraft be- einflusst werden und daher die Gesamtwirkung beider anzeigen. So bleibt bekanntlich die Luftblase einer Libelle ruhig im Nullpunkt der Skala stehen, so lange das Flugzeug beim Beschreiben einer engen Kurve die zugehörige starke seitliche Neigung einnimmt.
Das nach der Erfindung angewandte, ge dämpfte Kreiselpendel unterliegt zwar auch dem Einfluss der Zentrifugalkraft, stellt sich aber nicht sofort in die neue, dem Zusammen- wirken von Erdbeschleunigung und seitlicher Beschleunigung entsprechende Lage ein, son dern -nur innerhalb seiner Eigengeschwindig- keit. Demnach verbleibt die Rotationsachse des Kreisels eines solchen Pendels, auf dein Flugzeug angebracht anfänglich in der Ver tikalen, wenn sich das Flugzeug neigt.
Ver folgt dieses jedoch eine ständig gekrümmte Bahn, beispielsweise eineu Kreis, oder steigt es in Spiralen, auf oder ab, so wirkt dadurch eine andauernde Seitenbeschleunigung auf den Kreisel ein. Es. ist nun für den Zweck vor liegender Erfindung von wesentlicher Be deutung, die Schwingungszeit des Kreisels so zu gestalten, dass er unter den verschieden ster. Verhältnissen durch die Seitenbeschleu- nigung möglichst wenig aus der senkrechten Lage herausgedrängt wird, und da(,) er sich möglichst rasch und genau in die senkrechte Lage einstellt.
Das wird erreicht, wenn man die Schwingungszeit, die dein Kreisel im laufenden Zustand zukommt, verhältnismässig gross wählt, da alsdann seine Empfindlichkeit gegen Seitenbeschleunigungen verhältnismässig klein wird. Eine genügend grosse Schwingungs zeit des laufenden Kreisels erhält man aber am einfachsten dadurch, dass man die Strecke; um die der Schwerpunkt tiefer liegt als der. Aufhängepunkt, klein macht.
Indessen darf man hierin nicht zri weit gehen, weil sich dann andere Nachteile einstellen würden, näm lich dass der Kreisel sich nicht mehr genau genug einstellt, dass die Einstellung und da mit die Betriebsbereitschaft sehr lange Zeit erfordert; dass der Kreisel durch die geringsten Formveränderungen aus dem Gleichgewicht gebracht wird, und anderes mehr. Denn die (lenauigkeit der Einstellung wächst mit zu nehmender Schwerpunktstieferlage.
Zweckmässigerweise wird null der Kreisel so weit. beschwert, dass er für einen halben Präzessionskegel _ ungefähr sieben Minuten gebraucht:
Dadurch wird eurerseits eine bal dige Betriebsbereitschaft und genügend sichere Einstellung irr die Vertikale erzielt, ander seits wird erreicht, dar die seitlich angreifen der. Zentrifugalkräfte gewissermassen um die Kreiselachse im Kreise herumwandern und sich gegenseitig zurr grössten Teil wieder aufheben, wenn das Flugzeug ganz oder teil weise einen engen Kreis beschreibt, dem eine starke Schräglage entspricht. Der Fehler in der Genauigkeit der Messung wird .demzu folge sehr klein und fällt. nicht weiter ins Gewicht.
Wird dagegen ein Kreis mit sehr grossem Radius und daher entsprechend langer Dauer beschrieben, so sind die Seitenbe- schleunigi.ingen nur von geringer Stärke, so dass die hervorgerufener. Abweichungen des Kreisels voll der wahren Senkrechten wieder um die llessgeiiauiglzeit nicht zu sehr beein trächtigen.
Erfordert der halbe Präzessionskegel un gefähr sieben Minuten, darin wird. wenigstens für kurze Zeit der Kreisel dem Beobachter unbeweglich erscheinen, auch wenn er nicht genau eingestellt ist, so da(J) darin immerhin noch die Änderungen in der Schräglage er kennbar sind; was bei einem wesentlich kürzer schwingenden Kreisel Schwierigkeiten bietet.
Wie die Zeichnung des Ausführungsbei spiels ergibt, ist die Anordnung des Kreisel apparates im Flugzeug so getroffe::, dass die Drehzapfen r, <I>s</I> des Hilfspendels<I>1</I> quer zur Längsachse des Flugzeuges liegen.
Das be ruht auf folgender Erwägung: Beschreibt eire Flugzeug, in dein sich ein Kreiselpendel be findet, langsam einen Kreis entgegen der Drehrichtung des Kreises, so wirkt die hier bei auftretende Zentrifugalkraft derart auf das Kreiselpendel ein, dass die Kreiselachse in der Flugrichtung, das heisst der vertikalen Tangentialebene all die Flugbahn ausschlägt und diesen Fehler stetig vergrössert, so lange die Flugbahn -.lach der gleichen Seite ge krümmt bleibt.
Dieser Fehler tritt besonders darin in Erscheinung, wenn zum Zurücklegen eines vollständigen Kreises anriähei-nd die gleiche Zeit gebraucht wird, wie das Kreisel pendel für das Durchlaufen eines vollständigen- Präzessionskegels benötigt. Dadurch, dass das Hilfspendel q nur um eine quer zur Flug richtung liegende Drehachse ausschwingen harn, ist es dem Einfluss der Zentrifugalkraft entzogen.
Die dargestellte Anordnung des Hilfspendels verfolgt nun den weitern Zweck, den Ausschlag der Kreiselachse in der Flug= richturig so herabzumindern, dass die für den praktischen Gebrauch notwentige Genauig keitsgrenze des Neigungsmessers nicht über schritten wird.
Sobald nämlich die Aus wanderung der Kreiselachse in der Flugrich tung beginnt, bringt das Hilfspendel äussere Kräfte (im Ausführungsbeispiel den Rückstoss von Luftstrahlen) auf den Kreisel zur Wir- kung, und zwar in Gestalt von Drehmomenten, deren .Achse mit der Längsachse des Flug zeuges, also der Flugrichtung, zusammenfällt. Je mehr der Kreisel auswandert, desto stärker wird das auf den Kreisel ausgeübte Dreh moment. Da dieses Moment den Kreisel in seine Ausgangslage mit Bezug auf das Hilfs pendel zurückzuführen sucht, und zwar um so rascher, je weiter sich der Kreisel aus dieser Lage entfernt hat, so verhindert es ein Auswandern des Kreisels über ein bestimmtes Mass hinaus.
Offensichtlich wird der ver bleibende Fehler um so kleiner, je kräftiger das Drehmoment gewählt wird.
Diese Wirkung kann das Hilfspendel nur dann ausüben, wenn es in der erwähnten Weise aufgehängt ist. Nur dann wird es während eines Kurvenfluges nicht aus seiner Stellung gedrängt werden, weil die Zentrifugal kraft stets in der Ebene der Drehachse an greift, die senkrecht zur Flugrichtung liegt. Würden dagegen die Lager r, s des Hilfs pendels nicht in der Querachse, sondern bei spielsweise in der Längsachse des Flugzeuges angeordnet sein, so würde es lediglich die eingangs beschriebene Dämpfung der Schwingungen der.
Kreiselachse herbeiführen, nicht aber den Ausschlag der Kreiselachse in der Flugrichtung infolge der Zentrifugal- lirraft bei Kurvenflügen begrenzen.
Zwar wird bei Anordnung der Hilfspendel- drehachse quer zur Flugrichtung das Pendel beim Abflug oder beim Landen starke Aus schläge machen. Trotzdem wird die Genauig keit des Neigungsmessers nicht wesentlich beeinträchtigt, weil diese Störungen nur sehr kurze Zeiträume umfassen.
Die Dämpfung der Schwingungen des Kreiselpendels kann noch dadurch vervoll kommnet werden, dass dieser, ausser mit der Luftstrahlendämpfung, noch mit einer Massen dämpfung versehen wird, wie sie aus der deutschen Patentschrift<B>281952</B> bekannt ist. An dem Kardanring, der die Kreiselkappe trägt, wird nämlich eine verschiebbare Masse, am einfachsten eine Flüssigkeitsmasse, so angebracht; dass die Verschiebungsrichtung quer zur Flugrichtung, also in der Schwing ungsebene der Querachse des Flugzeuges ver läuft.
Diese Variante ist in Fig. 8 und 9 er läutert, und zwar in Fig. 8 von vorn und in Fig. 9 von oben gesehen. In diesen Figuren sind jedoch der Einfachheit wegen von den in Fig. 1-5 dargestellten Teilen nur die Kreiselkappe a mit den Drehzapfen G und c, der Kardanring d mit seinen Drehzapfen e und<I>f,</I> die Stützen<I>g</I> und h., der Zapfenfort- satz l und die daran befestigte Scheibe m wiedergegeben, während die übrigen Teile nicht mitgezeichnet sind.
Auf der Rückseite der Scheibe m nun sind zwei Behälter 2c und v befestigt; die durch ein verhältnis mässig enges Rohr rc miteinander verbunden sind. In diesem Behälter befindet sich eine Flüssigkeit, die in bekannter Weise Schwing ungen des Kardanringes um die Zapfen e, f dämpft.
In der oben erwähnten deutschen Patent schrift 281952 ist in Fig. 4 eine Dämpfungs- vorrichtung dargestellt, bei der die Kreisel kappe ein ringförmiges, mit Flüssigkeit ge fülltes Gefäss trägt. Würde man eine solche Dämpfung für ein Kreiselpendel verwenden, das als Neigungsmesser für Flugzeuge dienen soll, so würden Flüssigkeitsverschiebungen sowohl in der Längsrichtung, wie in der Quer richtung des Flugzeuges auftreten können.
Von dieser bekannten Anordnung_unterschei- det sich die in Fig. 8 und 9 erläuterte daher noch dadurch, dass die betreffenden Massen verschiebungen nur in einer Ebene stattfinden können, und dass diese Ebene quer zur Flug richtung liegt. Es wird hierdurch der Vorteil erreicht, dass die Flüssigkeitsverschiebungen die Gleichgewichtslage des Kreisels mit Bezug auf die Vertikalebene in der Flugrichtung nicht beeinträchtigen können. Das ist aber diejenige Ebene, innerhalb derer das Hilfs pendel q ausschwingt und dadurch die Dreh momente auslöst. Es ist also vermieden, dass durch die Flüssigkeitsverschiebung die Pendel dämpfung gestört wird.