DE1044627B - Steuervorrichtung fuer Luftfahrzeuge - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung befaßt sich mit einer selbsttätigen Steuervorrichtung für Luftfahrzeuge, welche Handsteuerung und Selbststeuerung gemeinsam umfaßt, um wahlweise und ohne Unterbrechung die Neigung des Fahrzeuges um die Quer- oder Längsachse entweder automatisch oder von Hand ohne Unterbrechung regeln zu können, wobei eine möglichst geringe Anzahl von Steuermitteln benutzt wird.

Die ursprünglichen automatischen Steuervorrichtungen für die Stabilisierung lenkbarer Fahrzeuge, z. B. Flugzeuge, während des Fluges, welche im allgemeinen Selbststeuerungen genannt werden, widersetzen sich der Handsteuerung des Flugzeuges durch den Flugzeugführer. Da diese Vorrichtungen entworfen wurden, um das Luftfahrzeug in einer vorgegebenen Neigung um die Quer- und Längsachse zu halten, widersetzen sie sich naturgemäß allen Lageänderungen des Flugzeuges in bezug auf seine Längsund Querachse, ohne zwischen unerwünschten Auslenkungen einerseits und gewünschten, von Hand erzeugten Bewegungen andererseits zu unterscheiden. Infolgedessen wurden bisher die Selbststeuerungen entweder vor und bei den Manövern durch den Flugzeugführer außer Wirkung gesetzt oder so abgeändert, daß sie es dem Flugzeugführer ermöglichten, das Flugzeug von Hand zu lenken, während die Selbststeuerung eingeschaltet ist, indem Richtsignale in die Selbststeueranlage eingeführt werden, welche die Bezugsneigung des Selbststeuers zur Quer- oder Längsachse kontinuierlich auf den Wert der gewünschten Neigung in bezug auf die Quer- und Längsachse ändern. Die Handabschaltung des Selbststeuers während des Manövers und das anschließende Wiedereinschalten der Selbststeuerung nach Abschluß des Manövers ist jedoch außerordentlich unbefriedigend, da sie die Zeit und Aufmerksamkeit des Flugzeugführers in einem Augenblick beansprucht, in welchem er bereits mit der Erfüllung einer großen Anzahl anderer Steuer- und Kontrollaufgaben überlastet ist, welche bei einem modernen Flugzeug an ihn herantreten. Andererseits wird auch die Steuerung des Flugzeuges über den Selbststeuerer durch Einstellen eines Knopfes oder Hebels, der die vorgewählte Bezugsneigung des Selbststeuers ausrichtet oder ändert, ebenfalls als unbefriedigend betrachtet, da die Kräfte und Bewegungen, welche zu einer solchen Ausrichtung des Selbststeuerers erforderlich sind, in keiner Weise den Kräften und Bewegungen gleichen, die im Normalfall erforderlich sind, um das Flugzeug mittels der üblichen Steuermittel zu lenken. Infolgedessen verliert der Flugzeugführer das ausschlaggebende »Gefühl« für die Beherrschung des Flugzeuges. Darüber hinaus erfordert die Anbringung von Nachbildungen zur Hervorbringung dieses »Gefühls« zu-

Steuervorrichtung für Luftfahrzeuge

Anmelder:

General Electric Company,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Klose, Patentanwalt,
Mannheim, Rathenaustr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 28. Oktober 1954

James Maurice Cooper, Schenectady, N. Y.,
Richard Edward Bartholomew, Ballston Spa, N. Y.

(V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

sätzliche Konstruktionselemente, welche teuer, schwer und sperrig sind und auch im allgemeinen keine befriedigende Lösung des Problems darstellen.

Die Erfindung geht von einer Steuervorrichtung bei Luftfahrzeugen mit beweglicher Ruderfläche aus, die entweder durch die Bewegung einer Handsteuerungsvorrichtung oder durch einen signalabhängigen Antrieb bewegt wird, wobei der Antrieb von einem Signalgeber entsprechend der Auslenkung von einer vorbestimmten Bezugslage um eine Steuerachse gespeist wird und Mittel zum Abgleichen dieser durch den Signalgeber erzeugten Speisesignale durch Einstellen der vorbestimmten Bezugslage auf die tatsächliche Lage des Flugzeuges aufweist. Nach der Erfindung werden bei einer Steuervorrichtung dieser Art die Abgleichmittel durch die Anwendung der Handsteuerungsmittel, die zur Handsteuerung der Ruderfläche dienen, betätigt.

Im Gegensatz zu den bekannten Systemen bietet die Erfindung dem Flugzeugführer demnach ein zusammengefaßtes System, mit dem er wahlweise ein Flugzeug entweder durch die üblichen Handsteuermittel oder mittels des Selbststeuers führen kann, wobei eine Überleitungsvorrichtung für den Übergang von der Selbststeuerung zur Handsteuerung vorgesehen ist, welche weich und ohne Unterbrechung arbeitet. Bei der Steuervorrichtung nach der Erfindung wird das Flugzeug normalerweise durch den Selbststeuerer gelenkt. Wenn jedoch der Flugzeugführer den Wunsch hat, zur Handsteuerung überzugehen, so

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übt er ausschließlich die normalen Kräfte auf die üblichen Handsteuerungsmittel aus, z. B. auf den Steuerknüppel, und steuert und lenkt dann das Flugzeug mittels dieser üblichen Steuermittel, als wenn kein Selbststeuerer vorhanden wäre, wodurch er das richtige »Gefühl« für die Lenkung des Flugzeuges beibehält. Dabei betätigen die Drücke oder Kräfte, welche auf den Handsteuerer durch den Flugzeugführer ausgeübt werden, Kraftumschalter, welche automatisch während des Handmanövers den Selbststeuerer außer Wirkung setzen und gleichzeitig automatisch den Selbststeuerer durch dauernde Änderung seiner Bezugsachse in Übereinstimmung mit der jeweilig gewünschten tatsächlichen Neigung derOuer- und Längsachse des Flugzeuges bringen. Infolge dieser Abschaltung und Nachlaufsteuerung arbeitet der Selbststeuerer den gewünschten Manövern nicht entgegen und ist trotzdem .stets bereit, die Führung des Flugzeuges zu übernehmen; sobald der Flugzeugführer den Handsteuerer - losläßt, übernimmt der Selbststeuerer weich und automatisch die Führung in einer nicht unterbrochenen Arbeitsweise und stabilisiert dann das Flugzeug in der Längs- und Querneigung, weiche durch den Flugzeugführer im Augenblick des Loslassens des. .üblichen Handsteuerers ausgewählt wurde. -

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel schematisch und teilweise in Blockform dargestellt und zeigt, daß die Flugzeugrüderfläche 10, z. B. das Höhenruder oder ein Querruder, über eine Achse 11 mittels eines üblichen, hydraulisch angetriebenen Kraftverstärkers 12 hin- und herbewegt werden kann. Dieser Kraftverstärker 12 wird in. beiden Richtungen über ein Steuerventil 13 entsprechend der Bewegung seiner Ventilstange 14 gesteuert. Diese Ventilstange 14 kann entweder mit der Hand über den üblichen Steuerknüppel (bzw. Steuersäule) oder Handbetätiger 15, welcher einen Handgriff 15 α aufweist, oder automatisch über einen Servomotor 16 betätigt werden, welcher von dem Selbststeuerer gespeist wird, welcher im oberen Teil der Abbildung dargestellt ist.

Zur Handeinstellung der Ruderfläche 10 wird die Ventilstange 14 vorzugsweise unmittelbar durch Schwenken des Steuerknüppels 15 um sein Kugelgelenk 17 verstellt. Die Verschwenkung des Steuerknüppels 15 verstellt ein mit ihm verbundenes L-förmiges Kupplungsstück 18, welches mit einem sich nach unten erstreckenden Schenkel 19 versehen ist. Dieser Schenkel 19 weist ein mit der Ventilstange 14 gleichachsiges Lager 20 auf, durch welches sich eine mit Gewinde versehene Stoßstange 21 erstreckt. Die Gewindestange 21 ist ihrerseits an ihrem entgegengesetzten Ende mittels des Gewindes in einer Hülse 22 festgehalten, auf welcher ein Stirnrad 23 befestigt ist. Am entgegengesetzten Ende der Hülse 22 ist ein Kopf 24 angebracht, der zwei einander gegenüberstehende Zähne aufweist, welche bei einer Drehung einer Ringnutscheibe 26 erfassen, die an der Ventilstange 14 befestigt ist, so daß sich die Hülse 22 nicht axial oder in Längsrichtung in bezug auf die Ventilstange 14 bewegen kann, obgleich die beiden Teile in bezug aufeinander drehbar sind. Auf diese Weise verschiebt die Schwenkbewegung des Steuerknüppels 15 unmittelbar die Ventilstange 14 über die Verbindungsmittel (L-förmiges Kupplungsstück 18, Stoßstange 21, Hülse 22, Ringnutscheibe 26) in das Ventil 13 und aus dem Ventil heraus.

Mit dem Stirnrad 23 kämmt ein oberhalb dieses Rades angeordnetes zweites Stirnrad 23 a, welches durch einen Servomotor 16 angetrieben wird. Beim Umlauf des Servomotors 16 treibt das Stirnrad 23 α das Rad 23 und die damit verbundene Hülse 22 an und bewirkt dadurch, daß die mit Gewinde versehene Hülse 22 weiter auf das Gewinde der Stoßstange 21 heraufgezogen oder auf ihr heruntergeschoben wird; dabei wird die wirksame Länge der Stoßstange 21 verkürzt bzw. verlängert und bewegt entsprechend die Ventilstange 14 weiter in das Steuerventil 13 hinein oder aus ihm heraus. Dies bedeutet, daß die Stoßstange 21,

ίο die Hülse 22 und die Ventilstange 14 eine mechanische Kupplung bilden, welche entsprechend der Drehung des Servomotors 16 verlängerbar und zusammenziehbar ist, wobei die Ventilstange 14 entsprechend der Drehung des Servomotors 16 in das Steuerventil 13 hineingeschoben oder aus ihm herausgezogen wird.

Man ersieht hieraus, daß zur Regelung der Stellung

der Ruderfläche 10 das Ventil 14 entweder von Hand durch Verschwenken des Steuerknüppels 15 verstellt werden kann oder durch elektrische Speisung des Servomotors. Die Handverschwenkung des Steuerknüppels 15 führt zu einer axialen oder längs gerichteten Bewegung der gesamten Kupplung zwischen dem Steuerknüppel 15 und der Ventilstange 14, während die elektrische Speisung des Servomotors bewirkt, daß die Länge dieser verbindenden Kupplung entweder vergrößert oder verkleinert "wird, um die Ventilstange 14 aus dem Steuerventil 13 herauszuziehen oder in dieses hineinzuschieben. Um eine Wechselwirkung zwischen diesen beiden wahlweise wirksamen Einstellmittel zu verhindern, sind der Handsteuerer 15 und die zugehörige Kupplung mit einer einstellbaren Zentriervorrichtung, z. B. zwei Zentrierfedern 27, versehen, die auf beiden Seiten des nach unten gerichteten Schenkels 19 des L-förmigen Kupplungsgliedes 18 angeordnet sind. Dies wirkt einer Längsbewegung des Handsteuerers und der Stoßstangenkupplung entgegen und hält diese Kupplung daher normalerweise in ihrer Mittellage. Da die von den Zentrierfedern 27 aufgebrachte Kraft wesentlich größer ist als die zur Einstellung der \^entilstange 14 beim Hineinschieben oder Herausziehen aus dem Ventil 13 erforderliche Kraft, wirkt das Herausschrauben und Hineinschrauben der Stoßstange 21 aus der Hülse 22 bzw. in diese hinein gemäß der Drehung des Servomotors 16 nicht auf die Handsteuerung 15 zurück, sondern regelt ausschließlich die Stellung der JVentilstange 14 in dem Steuerventil 13, wobei der Steuerknüppel 15 in seiner Nulläge verbleibt. Mit anderen Worten, die Drehung des Servomotors 16 bewegt die Stoßstange 21 nicht axial, sondern schraubt die Hülse 22 ausschließlich weiter auf die Stoßstange herauf oder von ihr herunter, wobei die Ventilstange 14 eingestellt wird, ohne daß sich daraus eine Bewegung des Steuerknüppels 15 ergibt.

Der Servomotor 16 kann durch irgendein an sich bekanntes Selbststeuer- oder Stabilisierungsgerät gespeist werden. Nach dem Ausführungsbeispiel wird er durch den Ausgang eines Servoverstärkers 28 gespeist, und zwar entsprechend der resultierenden Summe mehrerer elektrischer Steuersignale, welche in Reihe dem Eingang dieses Servoverstärkers zugeführt werden.

Das erste dieser Signale wird von der Sekundärwicklung 29 eines Nachlaufgebers 30 geliefert, dessen Primärwicklung durch eine Spannungsquelle 31 gespeist wird. Dieser Nachlaufgeber 30 kann von Hand gemäß der Auslenkung des Flugzeuges um eine ausgewählte Bezugssteuerachse mittels eines darauf abgestimmten Lagekreisels eingestellt werden, z. B.

mittels des dargestellten Lotkreisels, der mit 32 be-

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zeichnet ist. Die von dieser Sekundärwicklung 29 erzeugten Signale sind proportional zur Auslenkung des Flugzeuges um die ausgewählte Bezugssteuerachse. Ein zweites Steuersignal wird vorzugsweise von einem Spannungsteiler 33 abgeleitet, welcher von einer Spannungsquelle 34 gespeist wird und dessen Gleitkontakt 35 durch einen darauf abgestimmten Winkelgeschwindigkeitskreisel 36 mechanisch verstellt wird. Der Spannungsteiler 33 erzeugt ein elektrisches Signal, welches proportional zur Auslenkungsgeschwindigkeit des Flugzeuges um eine Steuerachse ist. Auf diese Weise wird das Flugzeug selbsttätig mittels der beiden Kreisel in bezug auf eine vorbestimmte Achse für die Lageauslenkung stabilisiert und zusätzlich für die augenblickliche Auslenkungsgeschwindigkeit um eine Kontrollachse dieser Auslenkung berichtigt.

Wie bei Selbststeuerungen bekannt ist, können bei einem solchen dargestellten Selbststeuerer die Winkelgeschwindigkeitsrückkopplung oder die Lagerückkopplung oder beide Rückkopplungen benutzt werden, indem ein Tachometer 25 verwendet wird, welches so geschaltet ist, daß es durch den Servomotor 16 angetrieben wird und ein dem Servoverstärker 28 entgegengekoppeltes, zur Drehgeschwindigkeit des Servomotors 16 proportionales Signal erzeugt. Die Lagenachsteuerung kann zusätzlich, wie dargestellt, durch die Verwendung eines dritten Stirnrades 37 erhalten werden, welches mit dem Stirnrad 23 kämmt und von diesem angetrieben wird; es treibt seinerseits den Gleitkontakt 38 eines elektrisch gespeisten Spannungsteilers 39 entsprechend der Stellung des Servomotors 16 und erzeugt auf diese Weise ein Lagerückkopplungssignal zum Servoverstärker 28 in Gegenwirkung zu dem vom Lagekreisel 32 und/oder Winkelgeschwindigkeitskreisel 36 erzeugten Signal.

Um dem Flugzeugführer die Möglichkeit zu geben, das Luftfahrzeug wahlweise manuell oder automatisch zu steuern, ist ein zweites Nachführungssystem, mit 40 bezeichnet, im Schaltkreis des Selbststeuerers vorgesehen, und zwar in Gegenschaltung zum kreiselbetriebenen Nachführungssystem 30, indem alle seine drei Statorwicklungen 41, 42, 43 in eine Reihenschaltung mit den entsprechenden Wicklungen des Stators des Ivreiselnachführungssystems 30 gelegt sind. Betrachtet man nun das Kreiselnachführungssystem 30 als Nachführungsspender und das Nachführungssystem 40 als Differentialnachführungssystem, so ergeben diese in Reihe geschalteten Vorrichtungen eine bekannte Wirkungsweise, die in folgender Weise arbeitet: Die Ausgangssignale der Wicklung des Stators 29 des Kreiselnachführungssystems 30, die proportional zur Auslenkung seines Rotors gegenüber der Stator stellung sind, werden auf die Wicklungen 41, 42 und 43 übertragen und induzieren im Rotor 44 des zweiten Nachführungssystems 40 eine Spannung, die proportional zum Grade der Auslenkung des kreiselgetriebenen Rotors und des Rotors 44 ist. Wenn beide Rotoren gleichgerichtet sind, hat dieses Signal seinen Maximalwert; wenn jedoch diese Rotoren gegeneinander im Raum um einen Winkel von 90° verdreht sind, ist das Signal Null. Auf diese Weise ist das vom Rotor 44 erzeugte resultierende Signal proportional zur relativen Verlagerung zwischen dem Kreiselrotor und dem Nachführungsrotor 44, und man erhält daher durch Ändern der Winkellage des Rotors 44 eine neue Kreiselbezugslage.

Um den Rotor 44 so zu drehen, daß seine Lage der augenblicklichen Neigung des Flugzeuges entspricht, ist ein Nachsteuerungshilfsantrieb vorgesehen, welcher einen Verstärkerkreis 45 aufweist, der auf das Ausgangssignal des Rotors 44 anspricht und einen Nachsteuerungsmotor 46 über Schaltkontakte 47 antreibt, wobei dieser Motor den Rotor 44 über einen passenden Getriebezug 48 in Bewegung setzt oder einstellt. Nimmt man an, daß einer der Schaltkontakte 47 geschlossen ist, so wird der Rotor 44 über den Motor 46 verstellt, bis sein Ausgang Null ist, oder mit anderen Worten, bis er 90° gegen die Lage des kreiselgetriebenen Rotors des Nachführungssystems 30 verstellt ist. Da die Stellung des kreiselgetriebenen Nachführungsrotors proportional der tatsächlichen Neigung des Flugzeuges ist und die Stellung des Rotors 44 die Bezugssteuerachse darstellt, ändern diese Nachsteuerung und dieser Hilfsmotor dauernd die Bezugsachse des Selbststeuerers, so daß sie mit der tatsächlichen Achse des Flugzeuges übereinstimmt, wenn das Flugzeug gesteuert wird. Sobald jedoch die Schalterkontakte 47 geöffnet werden, bleibt die Stellung des Rotors 44 fest, und dem Servoverstärker 28 wird von diesem Rotor ein elektrisches Signal zugeführt, welches proportional zur Auslenkung des Flugzeuges von der durch die jetzige Lage des Rotors 44 eingestellten Bezugsachse ist. Auf diese Weise bewirkt die Vorrichtung, daß der Kreisel 32 außerstande ist, dem Selbststeuerer Signale zuzuführen, die der Handbetätigung des Flugzeuges entgegengesetzt sind, denn solange von Hand geflogen wird, wird die Kreiselbezugsstellung während des Flugmanövers entsprechend der tatsächlichen Lage des Flugzeuges geändert.

Damit der Flugzeugführer nach Wunsch diese einzelnen, auszuwählenden Mittel betätigen kann, ohne zusätzliche Arbeiten durchführen zu müssen, werden die Schalter 47 entsprechend den Kräften bewegt, welche auf den Handgriff 15 a des Steuerknüppels 15 ausgeübt werden. Wie dargestellt, ist dieser Handgriff vorzugsweise mit einem Stab 49 verbunden, der mittels Federn innerhalb des zylindrischen Knüppels getragen sein kann, und zwar durch die konzentrisch angeordneten Zentrierfederfinger 50. Zu beiden Seiten des Stabes 49 ist je ein Kontaktschalter 47 angeordnet, und die zugehörigen Kontakte sind mit den beachbarten inneren Teilen des Knüppelrohres 15 verbunden. Sobald der Flugzeugführer den Handgriff 15 a des Steuerknüppels 15 ergreift, um die gewünschten Manöver durchzuführen, verschiebt die auf den Handgriff 15 a ausgeübte Kraft den Stab 49 gegen die Zentrierfeder 50 und schließt den einen oder anderen der Schalterkontakte 47, je nach der Bewegungsrichtung des Steuerknüppels 15. Dadurch wird der Nachsteuerungsmotor 46 des Selbststeuers über den Verstärker 45 gespeist und bringt über den Getriebezug 48 den Nachführungsrotor 44 in eine Stellung, in der der Ausgang des kreiselgetriebenen Nachführungssystems 30 zu Null abgeglichen wird. Dadurch wird automatisch der Ausgang dieses Kreisels durch Schaffung einer neuen Bezugsachse entsprechend der neuen Lage des Flugzeuges nachgeführt. Hierauf bewirkt der Flugzeugführer von Hand die Flugzeugbewegungen, ohne daß ihm dabei Signale des Lagekreisels entgegenwirken, da der automatische Nachsteuerungsmotor, solange der Handgriff 15 a des Steuerknüppels 15 betätigt wird, dauernd den Rotor 44 des Nachführungssystems 40 antreibt, um den Ausgang des Lagekreisels auszugleichen, indem er die Bezugsachse des Selbststeuerers automatisch ändert, so daß sie mit der tatsächlichen Achse des Flugzeuges zusammenfällt.

Sobald der Flugzeugführer das gewünschte Manöver beendigt hat und das Flugzeug in die gewünschte

neue Steigung und Lage gebracht hat, läßt er den Steuergriff 15 a los. Xach dem Loslassen des Steuergriffs 15 a führen die Zentrierfedern 27 den Steuerknüppel automatisch in seine Nullstellung zurück und die Kraftumschaltungszentrierfederfinger 50 führen automatisch den Kraftumschaltungshandgriff 15a in seine Mittellage, wodurch die Schalter 47 geöffnet werden. Wenn die Schalter 47 offen sind, wird der Nachsteuerungsmotor 46 stromlos und die Stellung des Nachführungsrotors 44 ist in der gewünschten ία Fhigzeugneigungsachse festgelegt. Anschließend werden die Signale des Lagekreisels 32 über die Nachführungssysteme 30 und 40 geleitet, um den Servoverstärker 28 zu speisen und dadurch automatisch die Neigung des Flugzeuges in der neu durch den Flugzeugführer eingestellten Lage zu stabilisieren.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Steuervorrichtung für Luftfahrzeuge mit beweglicher Ruderrläche, wobei die Ruderffäche entweder durch die Bewegung einer Handsteuerungs- \T>rrichtufig oder durch einen signalabhängigen Antrieb bewegt wird, der von einem Signalgeber entsprechend der Auslenkung des Flugzeuges von einer vorbestimmten Bezugslage um eine Steuerachse gespeist wird and Mittel zum Abgleichen dieser durch den Signalgeber erzeugten Speisesignale durch Einstellen der vorbestimmten Bezugslage auf die tatsächliche Lage des Flugzeuges aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgleichmittel durch die Anwendung der Handsteuerungsmittel, die zur Handsteuerung der Ruderfläche dienen, betätigt werden.

   2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgleichmittel durch das Loslassen der Handsteuerungsmittel außer Wirkung gesetzt werden.

   3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Handsteuerungsmittel ein festes Glied, welches mit der Ruderfläche gekuppelt ist, und einen Handgriff aufweisen, der von ihm durch Federn beweglich getragen wird und ihm gegenüber durch Handkraft beweglich ist, und daß zwischen dem festen Glied und dem Handgriff Schalteinrichtungen angeordnet sind, die bei der Bewegung des Handgriffs betätigt werden.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 860900;
   britische Patentschrift Nr. 690 982;
   USA.-Patentschrift Nr. 2 674423.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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