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Sicherheitseinrichtung in flugregelanlagen zur Umschaltung von selbsttätiger
auf manuelle Steuerung Zusatz zum Patent 1061628
Die Erfindung betrifft eine
weitere Ausbildung der im Hauptpatent 1061628 beschriebenen Steuereinrichtung für
kombinierte Hand- und automatische Flugzeugsteueranlagen und behandelt eine Sicherheitseinrichtung
für die Umschaltung von automatischer auf manuelle Steuerung.
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Die im Hauptpatent 1061628 behandelte Steuereinrichtung für kombinierte
Hand- und automatische Flugzeugsteueranlagen geht aus von einer Einrichtung, die
eine Ruderfläche über einen ersten Kanal durch Einrichtungen zur Erzeugung eines
Abweichungssignals betätigt, wobei das Abweichungssignal von einer ersten Steuergröße
abhängt, die entweder vom Ausschlag eines Handsteuers oder von einem aus einer automatischen
Steuereinrichtung empfangenen Befehlssignal sowie vom Ruderausschlag gespeist wird,
und die elektrisch gesteuerte Einrichtungen vorsieht, die das elektrische Signal
empfangen, und damit den Servomotor für das Ruder entsprechend betätigen. Diese
Steuereinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Kanal vorgesehen
ist, über den das Ruder durch ein Handsteuer betätigt werden kann und der einen
hydraulischen Servomotor für die Ruderbetätigung und ein hydraulisches Ventil enthält,
das durch mechanische Gestänge einerseits mit dem Handsteuer und andererseits mit
dem Ruder in der Weise verbunden ist, daß bei einer Relativverschiebung zwischen
Handsteuer und Ruder das Ventil Druckflüssigkeit in den Servomotor zur Betätigung
des Ruders eintreten läßt, und daß eine Umschalteinrichtung vorgesehen ist, die
die Ruderbetätigung über den einen Kanal oder über den anderen Kanal ermöglicht.
Hierbei wird von einer elektrischen Differenzbildungsstufe, die von zwei Vorrichtungen
elektrische Signale erhält, eine elektrische Differenz-Regelgröße gebildet.
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Eine dieser Vorrichtungen liefert ein Befehlssignal, entsprechend
der Bewegung, die einem Lastglied, z. B. einem Flugzeugruder, durch den hydraulischen
Servomotor erteilt werden soll und die andere ein negatives Rückführungssignal,
abhängig von der Bewegung des Ausgangsglieds des Servomotors. Weiterhin sieht die
Steuereinrichtung vor: eine elektrische Steuervorrichtung mit Verbindungen zum Empfang
der elektrischen Regelgröße, ein mechanisches Differenzbildungsglied, das zwischen
dem Handsteuer und dem Ausgangsglied des Servomotors eingeschaltet ist bzw. wird
und ein differenzbildendes Glied hat, das abhängig von der Differenz zwischen den
Auslenkungen des Handsteuers und des Ausgangsgliedes des Servomotors verschoben
wird. Die elektrische Steuervorrichtung und das mechanische Differenzbildungsglied
dienen je zur Steuerung einer zur veränderlichen Steuerung der Zufuhr von Druckflüssigkeit
aus einer Druckquelle zum Servomotor geeigneten Ventilvorrichtung, um eine Bewegung
des Ausgangsglieds des Servomotors in der einen oder in der anderen Richtung hervorzurufen.
Ferner ist eine Steuerumschaltvorrichtung vorgesehen, die nach Wahl entweder das
mechanische Differenzbildungsglied oder die elektrische Differenzbildungsstufe zur
Steuerung des Servomotors wirksam macht und die andere unwirksam.
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Bei der mechanisch-hydraulischen Arbeitsweise ist ein Handsteuer über
ein mechanisches Differenzbildungsglied mit dem Ausgangsglied eines Servomotors
zur Betätigung des Flugzeugruders gekuppelt. Das mechanische Differenzbildungsglied
vergleicht die Stellung des Handsteuers mit der Stellung des Ausgangsgliedes des
Servomotors, wobei das Ergebnis dieses Vergleichs einer Ventilvorrichtung zugeführt
wird, die die Strömung von unter hohem Druck stehender Flüssigkeit zum hydraulischen
Servomotor regelt und damit die Stellung des Ausgangsgliedes des Servomotors steuert.
Das Handsteuer betätigt daher das Flugzeugruder über ein mechanisches Gestänge mit
Unterstützung eines hydraulischen Servomechanismus. Bei der elektrohydraulischen
Arbeitsweise
wird ein elektrisches Signal, das von einem dem Handsteuer
zugeordneten Generator oder wechselweise von einem Flugüberwachungsgerät abgeleitet
werden kann, mit einem Signal, das von einem dem Ausgangsglied des Servomechanismus
zugeordneten Generator abgeleitet wird, einer elektrischen Differenzbildungsstufe
zugeführt. Das Ergebnis des Vergleichs wird einem elektrisch betätigten hydraulischen
Ventil zugeführt, das außerdem die Strömung der unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit
zum Servomotor steuert. Das mechanische Gestänge zwischen dem Ausgangsglied des
Servomotors und dem Handsteuer kann während der selbsttätigen Steuerung dazu dienen,
auf das Handsteuer so einzuwirken, daß dieses der Bewegung folgt, die durch das
selbsttätige Flugüberwachungsgerät bestimmt wird. Der Pilot kann daher diese Bewegung
beobachten und sich selbst davon überzeugen, daß die selbsttätige Steuerung zufriedenstellend
arbeitet. Es ist jedoch vorzuziehen, während der selbsttätigen Steuerung einen ausreichenden
toten Gang im Gestänge vorzusehen, so daß sich das Flugzeugruder nur innerhalb des
toten Gangs des Gestänges bewegt. In diesem Falle bewegt der Servomotor das Handsteuer
nicht, jedoch ist das Handsteuer so angeordnet, daß es seine Einstellung der Langzeitmittelstellung
des Ruders und nicht der durch die selbsttätige Verstellung durch eine Steuergefühlanlage
bedingten Einstellung entspricht.
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Die Steuergefühlanlage ist mit dem Handsteuer verbunden und zentriert
es auf eine Langzeitmittelstellung mit Hilfe eines Trimmotors, der die Mittelstellung
der Vorrichtung in sehr langsamer Weise einstellt. Die Zentrierkräfte auf das Handsteuer
vermitteln dem Piloten eine gewisse Rückwirkung gegen seine Bewegung des Handsteuers
aus der Zentrierstellung heraus.
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Im Hauptpatent ist ferner die Verwendung eines Umschaltventils beschrieben,
das die hydraulische Verbindung so ändert, daß entweder die mechanischhydraulische
oder die elektrohydraulische Arbeitsweise verwendet werden kann.
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Bei einer Störung an einem oder mehreren Teilen der Anlage können
mehrere Notzustände entstehen. Bei diesen Notzuständen ist es wünschenswert, daß
die Arbeitsweise immer auf die mechanisch-hydraulische umgeschaltet wird. Außer
verschiedenen selbsttätigen Anordnungen zur Umschaltung auf die mechanisch-hydraulische
Arbeitsweise, die im Hauptpatent näher beschrieben sind, ist es wünschenswert, daß
der Pilot in der Lage ist, die Anlage von der selbsttätigen Steuerung auf die mechanisch-hydraulische
Arbeitsweise durch die Bewegung des Handsteuers umzuschalten. Für diesen Zweck ist
im Hauptpatent eine nachgiebige Schaltungsanordnung im mechanischen Gestänge zwischen
der mechanischen Differenzbildungseinrichtung und dem Handsteuer vorgesehen, die
beim Bewegen des Handsteuers mit einer der selbsttätigen Steuerung entgegenwirkenden
Kraft die nachgiebige Schaltungsanordnung in Tätigkeit treten läßt und die Anlage
auf die mechanisch-hydraulische Arbeitsweise umschaltet.
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In der Zeichnung des Hauptpatents ist der nachgiebige Sicherheitsschalter
im Gestänge zwischen dem Handsteuer und der mechanischen Differenzbildungseinrichtung
in dem Teil vorgesehen, der sich zwischen der Differenzbildungseinrichtung und der
Steuergefühlanlage befindet. Bei dieser Anordnung vermittelt die nachgiebige Kupplung
auch einen Schutz für das Gestänge und mußte daher so ausgebildet sein, daß sie
bei Kräften, die auf das Gestänge im normalen Betrieb wirksam werden, nicht nachgibt.
Der Pilot konnte daher nur dann ein Nachgeben des Sicherheitsschalters herbeiführen,
wenn er auf das Handsteuer eine Kraft ausübte, die größer war als die normale auf
das Gestänge ausgeübte Kraft. Dies kann jedoch zu dem Nachteil führen, daß die aufzuwendende
Kraft beim Umschalten eine Übersteuerung bewirkt.
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Wenn die Bewegung des Ruders bei selbsttätiger Steuerung innerhalb
der Grenzen des toten Ganges des Gestänges liegt, wird auf die Steuergefühlanlage
durch den Servomotor normalerweise nur eine geringe oder gar keine Kraft ausgeübt.
Bevor jedoch der Sicherheitsschalter durch die Bewegung des Handsteuers zum Nachgeben
gebracht werden kann, würde es zuerst erforderlich sein, das Handsteuer entgegen
der Kraft der Steuergefühlanlage zur Überwindung des toten Ganges zu bewegen.
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Ziel der Erfindung ist es, die Sicherheitseinrichtung in Flugzeugregelanlagen
derart auszubilden, daß die erwähnten Nachteile vermieden werden.
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Zu diesem Zweck kennzeichnet sich die Sicherheitseinrichtung in Flugregelanlagen
zur Umschaltung von selbsttätiger auf manuelle Steuerung erfindungsgemäß dadurch,
daß die Sicherheitsvorrichtung durch eine nachgiebige Kupplung gebildet wird, die
in der mechanischen Verbindung zwischen dem Handsteuer und der Steuergefühlanlage
angeordnet ist und die mit einem Schalter ausgerüstet ist, ferner dadurch, daß die
Kraft, die notwendig ist, um die Kupplung bis zur Betätigung des Schalters zum Nachgeben
zu bringen, größer ist als jene Kraft, die zur Bewegungsübertragung auf das Handsteuer
erforderlich ist, jedoch kleiner als die maximale durch die Steuergefühlanlage vermittelte
Kraft und daß durch die Betätigung des Schalters die Steuerumschalteinrichtung für
die mechanische Differenzbildungseinrichtung zur Steuerung des Servomotors wirksam
gemacht wird.
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Es kann eine zweite nachgiebige Kupplung in der mechanischen Verbindung
zwischen der Steuergefühlsanlage und entweder dem Ausgangsglied des Servomotors
oder des Ruders vorgesehen werden. In diesem Falle hat die zweite nachgiebige Kupplung
nur die Aufgabe, das Gestänge zu schützen, da die erste nachgiebige Kupplung eine
beträchtlich geringere Kraft zur Betätigung als die zweite nachgiebige Kupplung
erfordert, wobei die geringere Kraft etwa 4,5 bis 9 kg betragen kann. Die erste
nachgiebige Kupplung ist dann während der selbsttätigen Steuerung keinen Kräften
ausgesetzt, die auf die Steuergefühlsanlage durch das Ausgangsglied des Servomotors
über die mechanische Verbindung wirksam werden. Die Kräfte, die sie in diesem Falle
während der selbsttätigen Steuerung zu übertragen hat, sind lediglich die Kräfte,
die zur Bewegung des Handsteuers gegen dessen eigene Trägheit und Reibung erforderlich
sind.
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In der Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel des mit der
Sicherheitseinrichtung ausgestatteten Teils einer Flugregelanlage dargestellt.
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In der Zeichnung stellt 201 ein Handsteuer dar, das über eine nachgiebige
Kupplung 321 mit einem in seiner Mitte schwenkbar gelagerten Hebel 320 gekuppelt
ist. Das andere Ende des Hebels 320 ist über eine zweite nachgiebige Kupplung 262
mit dem Ausgangsglied
des nicht gezeigten Servomotors über eine
nicht gezeigte mechanische Differenzbildungseinrichtung verbunden. Mit dem unteren
Ende des Hebels 320 ist ferner ein Steuergefühlerzeuger 216' verbunden, der von
einem Trimmotor 216" gesteuert wird. Bei der elektrohydraulischen Arbeitsweise wird
ein elektrisches Signal, das der Stellung des Handsteuers 201 entspricht oder von
einer selbsttätigen Steuereinrichtung abgeleitet wird, mit einem Signal verglichen,
das der Stellung des Ausgangsglieds des Servomotors entspricht. Durch das Ergebnis
dieses Vergleichs wird ein hydraulisches Ventil geregelt, das seinerseits den Servomotor
steuert. Die Anordnung ist so getroffen, daß während der selbsttätigen Steuerung
die Bewegung des Ausgangsglieds des Servomotors keine Bewegung des Handsteuers über
das Gestänge bewirkt, da ein toter Gang vorgesehen ist, der in der Hauptsache durch
die mechanische Differenzbildungseinrichtung vermittelt wird. Unter bestimmten Umständen,
z. B. bei sehr geringen Geschwindigkeiten, kann es wünschenswert sein, das Ruder
ziemlich stark zu bewegen, wodurch der tote Gang überwunden, das Handsteuer bewegt
und gleichzeitig eine Kraft auf die Steuergefühlanlage ausgeübt wird. Die Kupplung
262 muß in der Lage sein, diese Kraft, ohne nachzugeben, zu übertragen. Im Gegensatz
dazu werden über die nachgiebige Kupplung 321 während der selbsttätigen Steuerung
nur solche Kräfte übertragen, die zur L7berwindung der Trägheit und der Reibung
des Handsteuers erforderlich sind. Diese Kräfte sind naturgemäß sehr viel kleiner
als die gegebenenfalls über die Kupplung 262 übertragenen, so daß die Kupplung 321
so gebaut werden kann, daß sie bei relativ geringeren Kräften nachgibt.
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Die nachgiebige Kupplung 321 weist zwei Glieder 322 und 323 auf, die
miteinander durch eine Feder 326 über zwei sich in Abstand voneinander befindende
Elemente 324 und 325 und mit einem Schalter L verbunden sind. Diese Anordnung überträgt
die normalerweise geringen Kräfte, ohne wesentlich nachzugeben. Wenn jedoch eine
Kraft auf die Kupplung ausgeübt wird, die größer als normal ist, sei es eine Zugkraft
oder eine Druckkraft, bewegen sich die beiden Glieder 322 und 323 gegen die
Wirkung der Feder in Richtung zueinander, bis ein Ansatz am Glied 322 den einen
oder den anderen Kontakt des Schalters L für das Öffnen der Kontakte bewegt. Durch
dieses Öffnen der Kontakte wird ein elektrischer Stromkreis unterbrochen, wodurch
die Steueranlage auf die mechanisch-hydraulische Arbeitsweise durch Betätigung des
Umschaltventils umgeschaltet wird.
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Die nachgiebige Kupplung 262 weist zwei Glieder 263, 264 auf, die
miteinander durch eine Feder 265 über zwei sich in Abstand voneinander befindende
Elemente 266, 267 mit einem Schalter H verbunden sind.
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Die Konstruktion der Kupplung 262 ist ähnlich der der Kupplung 321
mit der Ausnahme, daß die Feder 265 sehr viel stärker als die Feder 326 ist und
daher die Kupplung 262 nur dann für das Öffnen der Kontakte des Schalters H ausreichend
weit nachgibt, wenn ein Kraftmoment ausgeübt wird, das beträchtlich größer ist als
die zum Nachgeben der Kupplung 321 erforderliche Kraft. Dadurch können die Kräfte,
die durch den Steuergefühlerzeuger 216' auf die Gestängeverbindung mit dem Servomotor
ausgeübt werden, ohne wesentliches Nachgeben übertragen werden.
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Ist der Schalter H mit dem Schalter L in Reihe geschaltet, wird beim
öffnen der Kontakte des Schalters H durch das Nachgeben der Kupplung infolge starker
Kräfte am Gestänge die Steuerung auf die mechanisch-hydraulische Arbeitsweise umgeschaltet.
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Der Trimmotor 216" ist ein langsam arbeitender Motor, der den Steuergefühlerzeuger
216' so verstellt, daß die durch diesen zentrierte Stellung so verändert wird, daß
sie der Langzeitmittelstellung des Ruders entspricht. Da sich das Handsteuer 201
während der selbsttätigen Steuerung innerhalb der Grenzen des toten Gangs frei bewegen
kann, nimmt es die durch den Steuergefühlerzeuger 216' bewirkte zentrierte
Stellung ein, so daß es sich mit der Bewegung des Steuergefühlerzeugers unter der
Steuerung des Trimmotors 216" bewegt. Während der Handsteuerung bei der elektrohydraulischen
Arbeitsweise wirkt dem Handsteuer die durch den Steuergefühlerzeuger 216' ausgeübte
Kraft entgegen, wobei diese Kräfte bei größeren Bewegungen des Handsteuers stärker
sein können als die Kraft, die notwendig ist, um die nachgiebige Kupplung 321 zum
Nachgeben zu bringen. Ist der Schalter L auf selbsttätige Steuerung geschaltet,
wird die Anlage beim Öffnen des Schalters L von der elektrohydraulischen Handsteuerung
auf die mechanisch-hydraulische Handsteuerung umgeschaltet. Da dies nur in Notzuständen
erforderlich wird, sind die Kontakte des Schalters L während der elektrohydraulischen
Handsteuerung kurzgeschlossen.
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Tritt ein Notzustand ein, dem durch die im Hauptpatent beschriebenen
selbsttätigen Mittel nicht Abhilfe geschaffen werden kann, kann der Pilot auf das
Handsteuer eine beträchtliche Kraft ausüben, so daß die Kupplung 262 nachgibt und
dadurch die Steueranlage auf die mechanisch-hydraulische Arbeitsweise umschaltet.