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Gerät zur Nachbildung von Kräften, die auf den Steuerknüppel eines
Flugübungsgerätes einwirken Die Erfindung betrifft Flugübungsgeräte und bezieht
sich insbesondere auf Vorrichtungen und Anordnungen, mit denen Kräfte wirklichkeitsgetreu
nachgeahmt werden können, die auf den Steuerknüppel eines Flugzeuges unter verschiedenen
Flugbedingungen einwirken.
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Der Steuerknüppel eines Flugzeuges ist, wenn er auf den Flugzeugführer
zu oder von ihm weg bewegt wird, um ein Steigen oder Fallen des Flugzeuges zu veranlassen,
einer Anzahl von Kräften ausgesetzt, wobei diese Kräfte von den aerodynamischen
Kräften abhängen, welche auf das Höhensteuer einwirken. Bei modernen Flugzeugen
bestimmter Typen, wie z. B. bei dem Typ C-119 der amerikanischen Luftwaffe, wirkt
auf den Steuerknüppel, wenn er auf den Piloten zu oder von ihm weg bewegt wird,
eine zusätzliche Kraft infolge eines Ausgleichsgewichtes, das an einem Hebelarm
befestigt ist, der an dem Steuerknüppel angebracht ist. Dieses Ausgleichsgewicht
ist für den ausgesprochenen Zweck vorgesehen, dem Flugzeugführer den Grad der Beschleunigung
bemerkbar zu machen, dem er ausgesetzt ist. Die auf den Steuerknüppel von dem Ausgleichsgewicht
übertragene Kraft ist direkt proportional der Flugzeugbeschleunigung und wirkt gewöhnlich
in einer solchen Richtung, daß sie der Weiterbewegung des Knüppels durch den Flugzeugführer
Widerstand leistet. Bei einem Flugzeug der obenerwähnten Art muß der Flugzeugführer,
der den Knüppel bedient, um ein Steigen oder Fallen des Flugzeuges zu veranlassen,
die kombinierte Wirkung der aerodynamischen Kräfte, die auf das Höhensteuer einwirken,
und derjenigen Kräfte, die auf das Ausgleichsgewicht infolge der Flugbeschleunigung
einwirken, überwinden.
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Es ist erwünscht, daß die Flugschüler bei der Ausbildung für ein Flugzeug
der beschriebenen Art in dem Flugübungsgerät bei der Bedienung des Steuerknüppels
geschult werden und daß die Kräfte, die auf den Knüppel unter wirklichen Flugbedingungen
einwirken, in dem Übungsgerät wirklichkeitsgetreu nachgeahmt werden. Die Erfindung
stellt sich daher als Hauptaufgabe die Schaffung von Mitteln zur Nachbildung der
Kräfte, die auf den Steuerknüppel eines solchen Flugzeuges einwirken, wenn der Knüppel
von dem Flugzeugführer weg oder auf ihn zu bewegt wird, und die von den aerodynamischen
Kräften und dem Ausgleichsgewicht abhängen.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
eingehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, die schematisch das Gerät
zur Nachbildung der erwähnten Knüppelkräfte zeigt.
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Die Kräfte, die auf einen Steuerknüppel infolge der auf das Höhensteuer
des Flugzeuges wirkenden aerodynamischen Kräfte einwirken und welche die Beweglichkeit,
mit der der Steuerknüppel nach vorn oder hinten bewegt werden kann, beeinträchtigen,
lassen sich durch die Formel Fa - A Che q (1)
ausdrücken. In dieser
Formel ist F" die Gesamtheit der Kräfte; A ist eine Konstante für das betreffende
Flugzeug; Che ist der Rudermomentkoeffizient des Höhensteuers; und q ist gleich
I/2 P V2, wobei e die Dichte der Luft in der betreffenden Flughöhe und V die Eigengeschwindigkeit
sind. Die Formel (1) kann daher auch folgendermaßen geschrieben werden Fa
= q AChe (Sf., T Sf., Se, a, Ste) + qAChe (w y),
(2)
wobei die Ausdrücke Che (S fw, T Sfw, Se, a, Ste) und Che (w
y) Anteile darstellen, die bei der Summenbildung gleich dem gesamten Rudermomentkoeffizienten
Che der Formel (1) sind. Der Begriff Che (Sf", TSfw, Se, a, St,) stellt einen
Teil des gesamten Rudermomentskoeffizienten dar, der von dem Winkel der Landeklappen
Sf" abhängt, sowie von der kombinierten Wirkung des Schubes T und des Landeklappenwinkels
Sf"" ferner von dem Winkel des Höhensteuers Se, dem Anstellwinkel a des Flugzeuges
und dem Winkel der Höhensteuerklappen St",. Die mit den Buchstaben Sf",
T, SB, P, und St, dargestellten Faktoren tragen alle zur Bestimmung der aerodynamischen
Kraft
bei, da sie den Winkel beeinflussen, unter dem der Luftstrom außerhalb des Flugzeuges
auf das Höhensteuer auftrifft. Der Begriff CI" (o y) stellt einen Teil des
gesamten Rudermomentkoeffizienten dar, der von der Längsneigungsänderung co y des
Flugzeuges abhängt, wobei die Neigungsänderung ein kennzeichnender Faktor für die
Bestimmung der aerodynamischen Kräfte ist, weil er auch den Winkel beeinflußt, unter
dem der Luftstrom das Höhensteuer trifft.
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Es sind Geräte vorgesehen, um beide Ausdrücke, nämlich qAChe (Sf",
TSf.w, Se, a, St,) und qAChe (o y)
der Gleichung (2) zu berechnen;
die Vorrichtung zur Berechnung des ersten Ausdruckes q A Cl" (Sf.""
T Sf., Se, a, St,) wird zuerst beschrieben. Diese Vorrichtung enthält
eine Einstellscheibe 1 für die Landeklappen und ein Potentiometer 2 mit einem Schleifkontakt
3, der mit der Scheibe über mechanische Verbindungen 4 so verbunden ist, daß der
Kontakt mit Hilfe der Scheibe am Potentiometer entlang bewegt werden kann. Die Scheibe
1 soll die Landeklappensteuerung eines Flugzeuges nachahmen und kann von dem Flugschüler
in dem Flugübungsgerät eingestellt werden. Eine Spannung wird an dem Kontakt 3 abgeleitet
und entspricht der Stellung der Scheibe 1. Sie wird über eine Leitung 5 einem Summenverstärker
6 zugeführt, so daß sich ein Eingangssignal =AChe (Sf") ergibt, welches ein Produkt
der Konstanten A und der Größe Che (Sf") ist, die die Wirkung des Landeklappenwinkels
bei der Bestimmung des Anteils CI" (Sf", TSfw, Se, a, St,) des Rudermomentkoeffizienten
wiedergibt.
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Die Scheibe 1 ist, wie dargestellt, über die mechanische Verbindung
4 auch noch mit dem Schleifkontakt 7 eines weiteren Potentiometers 8 verbunden,
wobei das Potentiometer auf der einen Seite mit einer Wechselspannung ::F T,' gespeist
wird, welche den Schubkoeffizienten darstellt. Die andere Seite des Potentiometers
8 ist über einen Widerstand 9 mit der Erde verbunden. Die Spannung T T,' wird über
eine Leitung 10 dem Potentiometer 8 von der negativen Ausgangsklemme eines
Transformators 11 zugeführt, der an den Ausgang eines Leitungsverstärkers 12 angeschlossen
ist. Der Schleifkontakt 7 des Potentiometers 8 wird mit Hilfe der Steuerscheibe
1 entlang dem Widerstand eingestellt, und an dem Schleifkontakt wird eine Spannung
abgegriffen, die der Schubkoeffizientenspannung TI T,' und der Stellung der Scheibe
entspricht. Diese Spannung wird über eine Leitung 13 dem Verstärker 6 zugeführt,
um ein Eingangssignal ::FA Ch,e (T Sf") zu erzeugen, wobei der Ausdruck Che (TSfw)
die Wirkung des Schubes entsprechend der Landeklappenstellung für die Bestimmung
der Größe Che (Sf., TSfw, Se. a, St,) darstellt.
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Dem Summierungsverstärker 6 werden ferner Eingangssignale IF
A CI" (Se), TI A Che (a) und ± A CA" (St,)
zugeführt,
wobei die Ausdrücke Che (Se), CI" (a) und Che (Ste) die Wirkung des
Höhensteuerwinkels, des Anstellwinkels und des Höhensteuerklappenwinkels für die
Bestimmung des Anteils Che (Sf", TSfw, a, St,)
des Rudermomentkoeffizienten
darstellen. Die Vorrichtung zur Ableitung des Eingangssignals TI A Che (Se)
enthält ein Potentiometer 16, an dessen gegenüberliegenden Seiten Wechselspannungen
+E und -E zugeführt werden, während der Mittelpunkt des Potentiometers geerdet ist.
Ein Schleifkontakt 17 wird an dem Potentiometerwiderstand mit Hilfe eines Steuerknüppels
18 verstellt, welcher den Steuerknüppel des Flugzeuges nachbildet und der mit dem
Schleifkontakt durch mechanische Verbindungen 19 verbunden ist. Eine Spannung wird
an dem Schleifkontakt 17 gemäß der Stellung des Steuerknüppels, der von dem Flugschüler
eingestellt wurde, abgegriffen, und diese Spannung wird über eine Leitung 20 dem
Verstärker 6 als Eingangssignal T- A Ch e (Se) zugeführt.
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Das Eingangssignal T A Ch e (a) für den Summierungsverstärker
6 hängt von der Betätigung des Anstellwinkelservosystems (a), ab, das als Ganzes
mit 21 bezeichnet ist. Das Anstellwinkelservosystem 21 ist typisch für eine Anzahl
von anderen Servosystemen, die in dem Gerät vorhanden sind, so daß es beispielsweise
etwas ausführlicher beschrieben wird, obgleich es an sich bekannt ist. Das Servosystem
21 enthält einen Servoverstärker 22, dem eine Anzahl von Steuerspannungen zugeführt
werden, einen Motor 23, der an den Ausgang des Verstärkers angeschlossen ist, einen
Rückkopplungsgenerator 24, der von dem Motor 23 angetrieben wird, und ein Potentiometer
25, dessen Schleifkontakt über ein Untersetzungsgetriebe 26 mit der Motor-Generator-Kombination
verbunden ist. Der Servoverstärker 22 ist ein Summierungsverstärker zur Bestimmung
der Resultierenden von Eingangsspannungen und ist an sich in bekannter Weise aufgebaut,
um eine Anzahl von Wechselspannungen verschiedener Größe und Polarität algebraisch
zu summieren. Eine ausführliche Darstellung der Schaltung ist daher nicht notwendig.
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Die Ausgangsspannung des Verstärkers wird dazu benutzt, um die Servoschaltung
einschließlich des Motor-Generator-Satzes zu steuern, der in anderen Teilen der
Zeichnung lediglich mit MG bezeichnet ist. Der Servomotor 23 ist ein Zweiphasenmotor,
dessen Steuerwicklung 27 von der Ausgangsspannung des Verstärkers gespeist wird,
während der anderen Phasenwicklung 28 eine konstante Bezugswechselspannung e1 zugeführt
wird, die gegenüber der Steuerspannung um 90° verschoben ist. Die Arbeitsweise eines
solchen Motors ist an sich bekannt; er dreht sich in der einen Richtung, wenn die
Steuer- und Bezugsspannungen der beiden Wicklungen den gleichen Augenblickswert
der Polarität haben und in der entgegengesetzten Richtung, wenn der Augenblickswert
der Polarität der Steuerspannung entgegengesetzt der Bezugsspannung ist, wobei die
Geschwindigkeit der Drehung in beiden Fällen von der Größe der summierten Eingangssignale
abhängt. Der Generator 24, der von dem Servomotor angetrieben wird, ist ein zweiphasiger
Generator, dessen eine Wicklung 29 mit einer um 90° verschobenen Bezugsspannung
e2 gespeist wird, während der anderen Phasenwicklung 30 eine Rückkopplungsspannung
efb, die von der Motorgeschwindigkeit abhängt, für die Zwecke der Geschwindigkeitssteuerung
entnommen wird.
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Der Potentiometerwiderstand 25 des Anstellwinkelservosystems sowie
andere in der Zeichnung dargestellte Potentiometer haben, wie dies an sich bekannt
ist, einen funktionsabhängigen Umriß und können praktisch als Drehpotentiometer
ausgebildet sein, sind jedoch in der Zeichnung zur besseren Veranschaulichung als
ebene Potentiometer dargestellt.
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Der Potentiometerwiderstand 25 ist mit einem Schleifkontakt 31 versehen,
der durch den Servomotor an dem Widerstand entlang verstellt wird, der mit dem Schleifkontakt
über das Reduziergetriebe 26 und geeignete mechanische Verbindungen 32 verbunden
ist. Der Schleifkontakt nimmt Potentiometerspannungen ab, die von der Stellung des
Kontaktes und del Umrißform des Potentiometers abhängen, so daß die abgeleitete
Spannung an dem Schleifkontakt eine bestimmte Beziehung zu der linearen Bewegung
des Kontaktes hat, die von der besonderen Funktion des Potentiometers abhängt. Das
Potentiometer ist mit seinen beiden Enden an eine Spannungsquelle angeschlossen,
deren Augenblickswerte der Polarität und Größe von der Potentiometerfunktion abhängen.
Das Anstellwinkelservosystem dient zur Ermittlung des Anstellwinkels in Abhängigkeit
von einer
Anzahl von Eingangssignalen, die von der Betätigung der
nachgebildeten Steuergeräte des Flugübungsgerätes abhängen. Bei der Betätigung des
Anstellwinkelservosystems a wird der Schleifkontakt 31 an dem Potentiometerwiderstand
25 entlang verstellt, dem an seinen beiden Enden die Wechselspannungen +E bzw. -E
zugeführt werden. Die an dem Schleifkontakt 31 abgegriffene Spannung wird über eine
Leitung 33 dem Verstärker 6 zugeführt, um das obenerwähnte Eingangssignal
- A Che (a) zu liefern.
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Das weitere Eingangssignal ± A Che (St,) für den Verstärker
6 wird gemäß der Stellung einer nachgebildeten Höhensteuerklappenscheibe 34 gebildet,
die von dem Flugschüler eingestellt wird. Die Einstellscheibe 34 ist über eine mechanische
Verbindung 35 mit dem Schleifkontakt 36 eines Potentiometers 37 verbunden, dem an
seinen beiden gegenüberliegenden Enden Wechselspannungen -+-E bzw. -E zugeführt
werden und der in der Mitte geerdet ist. An dem Schleifkontakt 36 wird eine Spannung
abgegriffen und über eine Leitung 38 dem Verstärker 6 als Eingangssignal ±
A Cl, e (St,) zugeführt.
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Die verschiedenen Eingangssignale des Verstärkers 6 werden alle summiert
und der Primärwicklung 39 eines Transformators 40 zugeführt, so daß in der Sekundärwicklung
41 ein Ausgangssignal ± A Che (Sfw, TSfw, Se, a,
St,) entsteht. Dieses
Ausgangssignal stellt den ersten Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (2)
mit Ausnahme der Größe q dar. Es sind jedoch auch Vorrichtungen vorgesehen, um diese
Größe abzuleiten, die, wie erwähnt, gleich i/2 P V2 ist. Diese Vorrichtung enthält
das Servosystem (V12) der angezeigten Eigengeschwindigkeit mit dem Bezugszeichen
42. Dieses Eigengeschwindigkeitsservosystem (V12) enthält einen Potentiometerwiderstand
43, der auf einer Seite über eine Leitung 44 mit dem Signal ±AChe (Sfw, TSfw, Se,
a, St,) gespeist wird, während die andere Seite des Potentiometers geerdet
ist. Ein Schleifkontakt 45 wird an dem Potentiometer entlang durch die Betätigung
des (V12) Servosystems verstellt, und an dem Schleifkontakt wird eine Spannung abgegriffen,
welche das Produkt ± V12 - AChe (Sf, TSfw, Se, a, St,)
darstellt, das auch folgendermaßen geschrieben werden kann:
wobei e, eine Konstante ist, welche die normale Luftdichte in Meereshöhe bezeichnet.
Diese Spannung wird über eine Leitung 46 einem Summierungsverstärker 47 zugeführt,
wobei die Konstanten durch einen Eingangswiderstand berücksichtigt werden, so daß
sich ein Eingangssignal ± qAChe (Sfw, TSfw, Se, a, Ste) ergibt, welches den
ersten Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (2) für F" darstellt.
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Es kann gezeigt werden, daß der zweite Ausdruck qA Che (o,)
y) auf der rechten Seite der Gleichung (2) für die aerodynamischen Kräfte
F, die auf das Höhensteuer wirken, auch als
geschrieben werden kann, wobei W das Flugzeuggewicht, L den Auftrieb
und m die Masse darstellt. Um die Größe
zu ermitteln, ist eine Vorrichtung vorgesehen, welche einen Verstärker 48 enthält,
der an die Primärwicklung 49 eines Transformators 50 angeschlossen ist, so daß an
der Sekundärwicklung 51 derselben Ausgangsspannungen
und ::F -
an den positiven bzw. negativen Klemmen entstehen.
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Die Spannung
wird über eine Leitung 52 der einen Seite eines Potentiometers 53 in dem Luftdichteservosystem
54 zugeführt, dessen andere Seite geerdet ist. Ein Schleifkontakt 55 wird an dem
Potentiometer 53 durch die Betätigung des Luftdichteservomotors (@) verschoben,
und eine Spannung
wird an dem Schleifkontakt abgegriffen und über eine Leitung 56 sowie einen Kontakt
57 eines Erdungsrelais 58, wenn dieses nicht erregt ist, sowie über einen geeigneten
Eingangswiderstand dem Verstärker 47 als Eingangssignal zugeführt, welches der Größe
±
entspricht. Dieses Signal stellt den zweiten Ausdruck qAChe (coy) auf der rechten
Seite der Gleichung für die aerodynamischen Kräfte F" dar.
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Die Betätigung des Luftdichteservosystems (O) hängt von der Betätigung
eines Höhenservosystems (h) mit der allgemeinen Bezeichnung 98, sowie eines Außentemperaturservosystems
(OAT) mit der Bezeichnung 59 ab. Das Höhenservosystem 98 enthält einen Servoverstärker
60 und einen Potentiometer 61, das an der einen Seite mit einer negativen
Wechselspannung -E gespeist wird, während die andere Seite über einen Widerstand
62 mit Erde verbunden ist. Ein Schleifkontakt 63 wird an dem Widerstand 61 entlang
verstellt, um eine Spannung abzugreifen, die über eine Leitung 64 dem Servoverstärker
65 des Luftdichteservosystems zugeleitet wird, um ein Eingangssignal - OAP
zu erzeugen, welches den äußeren Luftdruck als Funktion der Höhe darstellt.
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Das Außentemperaturservosystem (OAT) 59 enthält einen Servoverstärker
66 und ein Potentiometer 77, dessen eine Seite mit der Wechselspannungsquelle -f-E
verbunden ist, während die andere Seite über einen Widerstand 78 geerdet ist. Ein
Schleifkontakt 79 wird an dem Potentiometerwiderstand entlang verschoben, und zwar
durch die Betätigung des Servosystems, wobei an dem Kontakt eine Spannung abgegriffen
wird, die der abgeleiteten Außenlufttemperatur entspricht und die über eine Leitung
80 der einen Seite eines Potentiometers 81 des Luftdichteservosystems zugeführt
wird. Das Potentiometer ist mit seiner anderen Seite über einen Widerstand 82 geerdet.
Ein Schleifkontakt 83 wird gemäß der Betätigung des Luftdichteservosystems (e) an
dem Potentiometerwiderstand verschoben, so daß eine Spannung abgegriffen wird, die
über eine Leitung 84 dem Servoverstärker 65 zugeführt wird, um ein Signal +OAT
- g (ANS) zu erzeugen, welches die Wirkung der Außenlufttemperatur
auf die Luftdichte wiedergibt. Der Servoverstärker 65 erhält, wie aus der Zeichnung
ersichtlich, ein Rückkopplungssignal efb von dem Servoverstärker selbst und nicht
von dem Rückkopplungsgenerator, der in dem Luftdichteservosystem (O) weggelassen
worden ist. Infolge der verschiedenen Eingangssignale wird das Servosystem 98 so
betrieben, daß die Luftdichte O genau ermittelt wird.
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Wie schon erwähnt wurde, erhält der Summierungsverstärker 47 Eingangssignale
± qA Che (S, T Sf"" S8, a,
St,) und IF qA Che (co
y), welche den ersten und zweiten Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung
für F" darstellen und die nach der Summierung die gesamte aerodynamische Kraftwirkung
F" wiedergeben.
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Der Verstärker 47 erhält ferner ein zusätzliches Eingangssignal !L
Fb, welches die Wirkung des Ausgleichsgewichtes darstellt. Infolge der Art und Weise,
in der die aerodynamische Kraftwirkung in Abhängigkeit von der Längsneigung durch
den zweiten Ausdruck qAChe (COy) in der Gleichung (2) abgeleitet wurde, d. h. in
Ausdrücken von der Größe
die gleich qA Che (a) y) ist, kann das Eingangssignal T- Fb für den Verstärker
47 geliefert werden, ohne daß zusätzliche Geräte zu den bereits
beschriebenen
erforderlich sind, indem eine abgeleitete Beziehung ausgenutzt wird:
Es ist lediglich notwendig, eine Ausgangsspannung an der Sekundärwicklung 51 des
Transformators 50 zu benutzen, da diese Ausgangsspannung einen entsprechenden Wert
mit der Konstanten K liefert, der der obigen Größe
in der Formel für Fb entspricht. Die Ausgangs-Spannung T-
an der negativen Ausgangsklemme der Wicklung 51 wird über die Leitung 85 und einen
Kontakt 86 des Relais 58, wenn dieses nicht erregt ist, und einen Widerstand dem
Verstärker 47 zugeführt, um ein Eingangssignal IF
zu liefern. Das Erdungsrelais 58 wird nur erregt, wenn sich das nachgebildete Flugzeug
am Boden befinden soll.
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Die verschiedenen Eingangssignale des Verstärkers 47 stellen die Wirkung
der aerodynamischen Kräfte und des Ausgleichsgewichtes auf den Steuerknüppel dar,
die in dem Verstärker summiert werden, so daß sich die Summenwirkung beider Faktoren
ergibt. Die Ausgangsspannung des Verstärkers wird dazu benutzt, einen Motor 87 zu
betreiben, der über eine geeignete mechanische Verbindung 88 mit der Nachbildung
des Steuerknüppels 18 verbunden ist, so daß die ermittelten Kräftewirkungen auf
den Knüppel übertragen werden. Hierdurch werden die tatsächlich auf den Knüppel
des im wirklichen Flug befindlichen Flugzeuges wirkenden Kräfte, die auftreten,
wenn derKnüppel von dem Flugzeugführer nach vorn oder zurück bewegt wird, für den
Flugschüler nachgebildet.