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Vorrichtung zur Steuerung und Stabilisierung von lotrecht startenden
Flugzeugen mit Strahlantrieb Bekanntlich unterliegen die lotrecht, d. h. mit der
Geschwindigkeit Null, startenden Flugzeuge einerseits den Kreiselwirkungen der Laufräder
der Turbinenstrahltriebwerke, mit denen sie versehen sind, und andererseits äußeren
Störwirkungen, z. B. Böen. Diese Einflüsse versuchen das Luftfahrzeug aus dem Gleichgewicht
zu bringen, und da seine Geschwindigkeit sehr gering oder Null ist, sind die üblichen
aerodynamischen Steuerungen unwirksam.
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Unabhängig davon, ob es sich um eine Gleichgewichtsstörung, um eine
Wiederherstellung des Gleichgewichts oder um ein Flugmanöver handelt, kann die Winkelbewegung
eines Flugzeuges als die Resultierende von drei Drehbewegungen um drei zueinander
senkrechte Achsen, die sogenannten Steuerachsen, angesehen werden, von denen die
eine die Flugzeugachse selbst ist, welche in dem betrachteten Fall lotrecht liegt,
während die beiden anderen Achsen waagerecht liegen. In bezug auf das Flugzeug nennt
man diese Achsen im allgemeinen Querachse, Hochachse und Längsachse.
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Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer besonders einfach aufgebauten
und wirkungsvoll arbeitenden Vorrichtung zur Stabilisierung und Steuerung eines
mit einem Turbinenstrahltriebwerk ausgerüsteten lotrecht startenden Flugzeuges,
bei der durch Ablenkung eines Gasstrahles Momente um die Steuerachsen des Flugzeuges
und damit Richteffekte erzeugt werden. Bei einer solchen Stabilisiervorrichtung
wird das Neue und Erfinderische darin gesehen, daß zwischen dem von dem Piloten
betätigten Steuerorgan und den die Momente erzeugenden Einrichtungen ein Dämpfer
vorgesehen ist, der mit einer Feder in Reihe geschaltet ist, welche die Einrichtungen
zur Erzeugung der Momente stets in eine neutrale Stellung zurückzuführen versucht,
so daß zwei aufeinanderfolgende Momente entgegengesetzten Vorzeichens entstehen,
von denen das erste davon herrührt, daß das Steuerorgan aus seiner Nullstellung
gebracht wurde, während das zweite durch die Rückführung desselben in die Nullstellung
erzeugt ist, und das Festhalten des Steuerorgans außerhalb seiner Nullstellung eine
Drehbewegung des Flugzeuges mit konstanter Winkelgeschwindigkeit bewirkt.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der
Erfindung erläutert sind.
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Fig. 1 zeigt schaubildlich den Steuerknüppel zur Steuerung des Flugzeuges
um seine lotrechte Steuerachse (Längsachse) Fig. 2 zeigt das Prinzip der erfindungsgemäßen
Verbindung zwischen dem Steuerknüppel der Fig. 1 und einem Druckluftverteilungssystem;
Fig. 3 zeigt die Kombination des Steuersystems der Fig. 2 mit einem selbsttätigen
Ausgleich der von der Beschleunigung und der Verzögerung des Rotors des in das Flugzeug
eingebauten Turbinenstrahltriebwerks herrührenden Kreiselwirkungen; Fi:g. 3 a, 3
b, 3 c zeigen schematisch die Kombination der Fig. 3 in besonderen Betriebsstellungen;
_ Fig. 4 zeigt die Anwendung der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung auf die
Steuerung des Flugzeuges um seine Querachse und Hochachse mit Ausgleich der Kreiselwirkungen,
welche das Flugzeug in bezug auf die Achse, um welche man es schwenken läßt, schräg
zu stellen versuchen; Fig. 5 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Anwendung
der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung auf die Stabilisierung eines lotrecht
fliegenden Flugzeuges unter Benutzung der Gleichgewichtsorgane und der instinktiven
Reflexe des Piloten.
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Fig. 1 zeigt einen lotrechten Steuerknüppel, welchen man nach Belieben
in der Richtung der Pfeile F oder in entgegengesetzter Richtung um seine Längsachse
verdrehen kann und welcher bei dieser Drehbewegung den mit ihm starr verbundenen
Antriebshebel 1 mitnimmt, welcher auch in Fig. 2 und 3 zu finden ist. Dieser Steuerknüppel
ist zu der Längsachse des Flugzeuges parallel, welche während des lotrechten Fluges
lotrecht liegt und nachfolgend »X-Achse« genannt wird. Einer Rechtsdrehung dieses
Knüppels
entspricht erfindungsgemäß eine Rechtsdrehung des Flugzeuges
um die X-Achse, und umgekehrt.
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In Fig. 2 findet man den Antriebshebel 1 wieder, welcher über ein
Gestänge und eine Umlenkung 2 einen Vierwegeverteiler 3 antreibt, welcher durch
Gegenfedern 4 und 5 in der dargestellten neutralen Stellung gehalten wird. In das
Gestänge wird ein Dämpfer 6 eingeschaltet.
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Wenn z. B. der Pilot den Steuerknüppel in der Richtung des Pfeils
F (Rechtsdrehung) verdreht, öffnet der Verteiler die Wege 7 und 8, welche zwei nicht
dargestellte Düsen mit Druckluft speisen, die in bezug auf die X-Achse so angeordnet
sind, daß sie unverzögert und ohne Phasenverschiebung ein Moment mit einer solchen
Achsrichtung und einem solchen Sinn erzeugen, daß sich das Flugzeug um diese Achse
gleichsinnig mit der Drehung des Steuerknüppels und des Antriebshebels
1 dreht.
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Hierauf nimmt der Verteiler unter der Einwirkung der Federn 4 und
5 durch den Dämpfer 6 wieder seine neutrale Stellung mit einer bestimmten Geschwindigkeit
(oder Verzögerung) ein, wobei sich der Kolben und der Zylinder des Dämpfers gegeneinander
in dem erforderlichen Maße verstellen.
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Unter der Einwirkung des so erzeugten kurzen Impulses führt das Flugzeug
um die X-Achse eine kontinuierliche Drehbewegung mit konstanter Geschwindigkeit
in dem dem Drehsinn des Steuerknüppels entsprechenden Sinn aus, und zwar so lange,
bis der Pilot den Steuerknüppel in seine Nullstellung zurückführt. In diesem Augenblick
wird der Verteiler entgegengesetzt wie vorher angetrieben, wodurch die beiden anderen
Wege 7' und 8', welche mit den nun geschlossenen Wegen 7 und 8 gruppiert sind, freigelegt
werden, wodurch andere entsprechende, nicht dargestellte Düsen gespeist werden,
welche unverzögert und ohne Phasenverschiebung unter der kombinierten Wirkung der
Federn 4 und 5 und des Dämpfers 6 ein Moment gleicher Dauer wie das erste, aber
entgegengesetzten Vorzeichens erzeugen. Hierauf nimmt der Verteiler wieder seine
neutrale Stellung ein, und da die Größen aller Bewegungen und Zeiten denen des ersten
Impulses gleich und entgegengesetzt sind, hat der zweite von dem Flugzeug empfangene
Impuls genau den Wert, welcher erforderlich ist, um die gerade ablaufende Drehbewegung
ohne Verzögerung oder Phasenverschiebung auszugleichen und somit aufzuheben.
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Dieses erste absichtlich sehr einfach gewählte Ausführungsbeispiel
erläutert das erfindungsgemäße Prinzip der Stabilisierung und Steuerung eines Flugzeuges,
welches darin besteht, durch eine einfache Hin- und Rückbewegung eines Steuerorgans
in bezug auf eine neutrale Stellung oder Nullstellung mit einem beliebig andauernden
in einer Stellung außerhalb der Nullstellung einen kurzen Impuls zu erhalten, welcher
eine kontinuierliche Drehbewegung mit konstanter Geschwindigkeit um die betreffende
Steuerachse erzeugt, wobei die Dauer dieser Bewegung genau gleich der Dauer ist,
während welcher das Steuerorgan außerhalb der Nullstellung gehalten wird, wobei
außerdem diese Bewegung nach Belieben durch einen Impuls aufgehoben wird, welcher
gleich dem ersten, aber entgegengesetzt gerichtet ist und selbsttätig durch die
Rückführung des Steuerorgans in seine neutrale Stellung oder Nullstellung erzeugt
wird.
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Das obige Anwendungsbeispiel betrifft nur eine Stabilisierung der
Steuerung um die lotrechte X-Achse nach dem Belieben des Piloten. Da in der Praxis
das Flugzeug mit einem Turbinenstrahltriebwerk ausgerüstet ist, dessen Betriebszustand
nach dem Belieben des Piloten veränderlich ist und bei welchem die Achse des Rotors
die X-Achse ist, muß die Neutralisierung der diese Anordnung störenden Wirkungen
der Laufradbeschleunigung oder Verzögerung vorgesehen werden.
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Hierfür wird zweckmäßig der gleiche Verteiler 3 wie bei dem ersten
beschriebenen Beispiel benutzt, wobei die gleichen von dem Piloten zu betätigenden
Einstellvorrichtungen beibehalten werden.
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Diese Kombination bildet ein zweites, in Fig. 3 dargestelltes Ausführungsbeispiel.
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In dieser Fig. 3 steuert eine von dem Antriebshebel 1 kommende Stange
9 über die Umlenkung 10 und die Stange 11 einen in einer Gleitbahn 13 verstellbaren
Schieber 12. Zwei gleich lange und voneinander unabhängige Stange 14 und 15 sind
an einem Ende mittels eines Gelenkes an dem Schieber 12 befestigt. Der Dämpfer 6
ist mittels der Gelenke 17 und 18 zwischen ihren beiden anderen Enden angeordnet.
Eine Stange 19 ist mit dein Gelenk 17 verbunden und betätigt den durch die Gegenfedern.
4 und 5 in der Nullstellung oder neutralen Stellung stabilisierten Richtverteiler
3. Eine andere Stange 21 verbindet über das Gelenk 22 das Gelenk 18 mit dem Gashebel
23 des Turbinenstrahltriebwerks. Dieser Gashebel ist um eine Achse 24 schwenkbar
und kann an einem Zahnsektor 25 durch einen Stift 26, welcher durch den an dem Handgriff
des Gashebels angebrachten Knopf 27 betätigt wird, blockiert werden. Eine Stange
28 verbindet den Gashebel mit dem Regler 29 des Turbinenstrahltriebwerks.
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Ebenso wie bei dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel dreht der Pilot,
wenn er das Flugzeug ohne Beschleunigung oder Verzögerung des Strahltriebwerks,
z. B. zum Aufsuchen eines geeigneten Landeplatzes, um die X-Achse schwenken will,
den mit dem Antriebshebel 1 verbundenen Steuerknüppel in dem gewünschten Sinn, wodurch
der Schieber 12 in der Gleitbahn 13 verstellt wird. Da aber das Gelenk 22 an dem
Gashebel unbeweglich bleibt, zwingt die Längsbewegung des Schiebers 12 den Punkt
18, einen Kreisbogen mit dem Mittelpunkt 22 zu beschreiben, während der Punkt 17
eine zu 22 konkave Kurve beschreibt, welche von der Verstellung des Schiebers 12
und des Gelenks 18 abhängt. Hierdurch kommt der Punkt 17 nach 17', was über die
Stange 19 und den Hebel 20 eine Verstellung des Verteilers 3 in dem gewünschten
Sinn bewirkt, so daß ein Impuls entsteht, dessen Sinn der von dem Piloten vorgenommenen
Drehung des Steuerknüppels entspricht, worauf die Federn und der Dämpfer in der
oben beschriebenen Weise wirken.
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Wenn dagegen der Pilot den Betriebszustand des Strahltriebwerks verändern
will, ohne daß das ganze Flugzeug unter der Einwirkung der durch die sich drehenden
Massen erzeugten Kreiselwirkungen um die X-Achse in dem Sinn der Beschleunigung
oder der Verzögerung schwenkt, erfolgt der positive oder negative Ausgleich folgendermaßen:
Die Betätigung des Steuerknüppels allein, d. h. ohne Betätigung des mit dem Antriebshebel
l verbundenen Steuerknüppels und somit ohne Verstellung des Schiebers 12 durch den
Piloten, hat zur Folgt, daß die Punkte 17 und 18 einen Kreisbogen mit dem Mittelpunkt
12 beschreiben und den Verteiler 3 betätigen. Der Gashebel 23 ist so angeschlossen,
daß der von der Betätigung des Verteilers 3 herrührende Impuls in dem gewünschten
Sinn die durch eine Beschleunigung oder Verzögerung des Strahltriebwerks erzeugte
Kreiselwirkung
ausgleicht, worauf die Federn und der Dämpfer so wirken, daß der Aufhebungsimpuls
entsteht.
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Wenn jetzt der Pilot z. B. bei einer Landung gleichzeitig den Betriebszustand
des Strahltriebwerks verändern und das Luftfahrzeug um seine X-Achse verschwenken
wild, stellt die erfindungsgemäße Einrichtung selbsttätig die algebraische Summe
der beiden Impulse her.
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In Fig. 3 a sieht man nämlich, wenn der Pilot das Flugzeug gleichsinnig
mit der Rückwirkung der Drehung des Laufrades des Turbinenstrahltriebwerks verschwenken
und dieses gleichzeitig beschleunigen will, der Verteiler 3 infolge des Zurückweichens
des Schiebers 12 keine Verstellung erfährt, so daß die Schwenkung des Flugzeuges
nur durch die Rückwirkung der Beschleunigung erfolgt. Wenn dagegen der Pilot das
Flugzeug in entgegengesetzter Richtung schwenken will, so geht ohne weiteres aus
der Figur hervor, daß eine gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Drehung
des Steuerknüppels und des Antriebshebels 1 die Amplitude der Gashebelwirkung auf
den Verteiler 3 vergrößert, wodurch die Druckluftzufuhr zu den das Drehmoment um
die X-Achse erzeugenden Düsen vergrößert wird. Hierdurch entsteht ein Impuls, dessen
Energie größer als die für den Ausgleich der Beschleunigungswirkung des Laufrades
erforderliche ist und deren Überschuß die gewünschte Schwenkbewegung des Luftfahrzeuges
bewirkt. Die obigen. Erläuterungen, die sich auf den Fall einer mit einer Schwenkbewegung
des Flugzeuges kombinierten Beschleunigung des Strahltriebwerks beziehen, sind auch
gültig, falls mit dieser Schwenkbewegung eine Verzögerung kombiniert ist. Fig. 3
b entspricht diesem Fall, wobei die Schwenkbewegung des Flugzeuges gegen den Sinn
der Laufraddrehung des Turbinenstrahltriebwerks erfolgt, und die gleichzeitige Wirkung
der Verstellung des Gashebels und des Steuerknüppels bewirkt keine Verstellung des
Verteilers.
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Als Ergänzung dieser Erläuterungen ist für den Fall einer Verzögerung
in Fig. 3 c schematisch die Zusammensetzung der Verstellungen des Gashebels und
des Steuerknüppels und der resultierende Einfluß derselben auf die Verdrehung des
Verteilers dargestellt.
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Die obigen Anwendungsbeispiele betreffen nur die Stabilisierung und
Steuerung des Flugzeuges um seine lotrechte X-Achse. Nachstehend sollen zwei Ausführungsbeispiele
beschrieben werden, welche die Stabilisierung und Steuerung um die Querachse und
die Hochachse betreffen, wobei gleichzeitig ein selbsttätiger Ausgleich der Kreiselwirkungen
vorgesehen ist, welche das Flugzeug gegenüber der Achse, um welche man es verschwenkt,
zu neigen versuchen.
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Bei dem in Fig. 4 dargestellten Anwendungsbeispiel ist das Steuerorgan
ein Steuerknüppel 31, welcher an einem mit dem Flugzeug fest verbundenen Kugelgelenk
32 angebracht ist, in einer beliebigen Richtung verstellbar ist und an seinem Fuß
entsprechend der Längsrichtung und der Querrichtung mit zwei Winkeleisen 33 und
34 versehen ist. Jede Verstellung des Steuerknüppels betätigt die Stangen 38 und
39, welche an den Enden 35 und 36 der Winkeleisen mit Kugelgelenken angelenkt sind.
Die beiden Stangen 38 und 39 übertragen über Umlenkungen 40 und 43 sowie über die
dem Dämpfer der Fig. 2 und 3 entsprechende Dämpfer 41 und 44 sowie Stangen 50 und
51 die Verstellungen des Steuerknüppels auf die Hebel der gekuppelten Ventile 46
und 47 bzw. 48 und 49. Zwei dem Federsystem 4 und 5 der Fig. 2 und 3 entsprechende
Systeme von Gegenfedern 42 und 45 halten die Ventile in der neutralen, d. h. der
halbgeöffneten Stellung. Diese Ventile speisen mit Druckluft die vier als Störorgane
wirkenden, paarweise einander gegenüberliegenden Düsen 52 und 53 bzw. 54 und 55,
welche am Umfang des Austrittsquerschnitts der Düse des Strahltriebwerks angeordnet
sind. Jedes Ventilpaar speist zwei diametral gegenüberliegende Störorgane, und in
jedem Paar sind die Ventile so ausgebildet, daß der vollständigen Öffnung eines
Ventils die vollständige Schließung des anderen entspricht, und umgekehrt. Wenn
der Pilot den Steuerknüppel in der Richtung des Pfeils AV nach vorn verstellt, werden
die Ventile 47 und 49 durch das Gestänge geschlossen, während die Ventile 46 und
48 voll geöffnet werden und die Störorgane 55 und 52 mit der maximalen Luftmenge
speisen.
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Die Speisung der Störorgane 53 und 54 hört dagegen auf, so daß der
Strahl schließlich abgelenkt wird. Das Gestänge und die Bewegungen der Ventile sind
so kombiniert, daß die Ablenkung des Strahles das in diesem Falle lotrecht fliegende
Flugzeug um die Y-Achse in der Richtung der Verstellung des Steuerknüppels verschwenkt.
In Fig. 4 ist angenommen, daß die Mündung der Düse im lotrechten Flug von unten
gesehen ist. Bei dieser Verschwenkung um die Y-Achse tritt jedoch ein von der Kreiselwirkung
herrührendes Moment auf, welches das Flugzeug durch Verschwenkung um die Z-Achse
gegenüber der Y-Achse zu neigen versucht. Diese Schwenkbewegung wird durch die Blaswirkung
des Störorgans 55 neutralisiert, welche den Strahl in dem der Kreiswirkung entgegengesetzten
Sinn ablenkt und diese Wirkung aufhebt. Unter der gemeinsamen Wirkung der Federsysteme
42 und 45 und der Dämpfer 41 und 44 nehmen die Ventile wieder ihre neutrale Stellung
ein, und das Flugzeug setzt unter der Einwirkung des empfangenen Impulses nur seine
Schwenkbewegung um die Y-Achse fort, bis der Pilot durch Rückführung des Steuerknüppels
in die Nullstellung die Ventile in entgegengesetztem Sinn betätigt und so einen
dem ersten Impuls entgegengesetzten Impuls erzeugt, welcher die Drehung des Flugzeuges
um die Y-Achse aufhält. Als letztes Anwendungsbeispiel zeigt Fig. 5 in Seitenansicht
die Ausbildung der lotrechten Stabilisierung eines lotrecht fliegenden Flugzeuges
unter Benutzung der Gleichgewichtsorgane und der instinktiven Reflexe des Piloten
zur Steuerung.
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Bei diesem Anwendungsbeispiel steht der Pilot aufrecht in der Mitte
einer Plattform 56, welche sich an dem oberen Teil eines Luftfahrzeuges befindet
und auf einem Kugelgelenk 57 ruht. Jede ungewünschte Schräglage des Luftfahrzeuges
wird von dem Piloten empfunden, dessen durch die halbkreisförmigen Kanäle des inneren
Ohres 58 gebildeten Gleichgewichtsorgane in dem Teil des Körpers des Piloten liegen,
welche von dem Schwerpunkt des Luftfahrzeuges am weitesten entfernt und infolgedessen
räumlich so liegen, daß die größte Empfindlichkeit entsteht. Wenn der Pilot instinktiv
versucht, seine eigene lotrechte Stellung wieder herzustellen, verschwenkt er die
Plattform, auf welcher er steht, wodurch über ein entsprechendes Gestänge die Ventile
zur Druckluftspeisung der den Austritt der Düse des Strahltriebwerks umgebenden
Störorgane betätigt werden. Der durch die Druckluftstrahlen dieser Störorgane abgelenkte
Strahl erzeugt einen Impuls in der gewünschten
Richtung zur Ausrichtung
des Flugzeuges. In Fig. 5 ist nur die Steuerung zur Stabilisierung des Luftfahrzeuges
um die Querachse dargestellt, erfindungsgemäß wird jedoch eine zweite Steuerung
vorgesehen, welche der dargestellten entspricht und zur Herstellung der Stabilität
des Luftfahrzeuges um die zu der Querachse senkrechte und zu der Zeichenebene parallele
Hochachse dient.
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Die Rückführung der Ventile in die neutrale Stellung kann entweder
durch eine persönliche Einwirkung des Piloten oder durch ein oder mehrere Dämpfersysteme
erzielt werden, welche je einen Dämpfer und ein System von Gegenfedern enthalten,
die den oben beschriebenen entsprechen.
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In Fig.5 sind drei Dämpfungseinrichtungen dargestellt. Die erste wird
durch den Muskel 59 des Armes des Piloten gebildet, welcher den an der Scheibe 61
befestigten Steuerknüppel 60 hält, wobei die Scheibe ebenfalls in bezug auf das
Kugelgelenk 57 beweglich ist und unter der Plattform 56 liegt und das Kugelgelenk
57 allein mit dem Luftfahrzeug fest verbunden ist. In diesem Fall erfüllt der Arm
des Piloten die Aufgabe der Feder und des Dämpfers durch eine phasenverschobene
Betätigung. Die zweite Einrichtung wird durch den Dämpfer 62 und das Federsystem
63 gebildet. Die dritte Einrichtung wird durch den Dämpfer 64 und das Federsystem
65 gebildet.
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Erfindungsgemäß kann bei dem betrachteten Anwendungsbeispiel unter
Benutzung dieser drei Einrichtungen zur Dämpfung und Rückführung zwischen vier verschiedenen
Dämpfer- und Rückholkombinationen gewählt werden: a) Es kann nur die erste Einrichtung
benutzt werden, wobei die beiden anderen fortfallen; b) es wird die erste und die
dritte Einrichtung benutzt, wobei die zweite fortfällt; c) es wird nur die zweite
Einrichtung benutzt, wobei die erste und die dritte fortfallen; d) es werden die
erste und die zweite Einrichtung benutzt, wobei die dritte fortfällt.
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Es ist zu bemerken, daß bei Benutzung der Kombinationen a), b) und
d), bei welchen der Arm des Piloten als Dämpferorgan vorgesehen ist, die Handhabung
des Steuerknüppels 60 nur die Dämpfung der Steuerungen bewirkt, während die Impulse
nur von den Bewegungen der den Schwingbewegungen des Körpers des Piloten folgenden
Plattform 56 herrühren.
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Schließlich ist auf die äußerste Einfachheit der den beschriebenen
Anwendungsbeispielen entsprechenden Vorrichtungen hinzuweisen, da diese für ihre
Verwirklichung nur an sich einfache Übertragungssysteme mit Gestängen benötigen,
und da diese Handhabung dieser Vorrichtungen nur den natürlichen Gleichgewichtssinn
des das Luftfahrzeug steuernden menschlichen Wesens ausnutzt.