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Sicherheitseinrichtung in Flugregelanlagen zur Ausschaltung gefährlicher
Steuerruderausschläge Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitseinrichtung
in einem automatischen Steuersystem, die ein Warnsignal abgibt, wenn der Ausschlag
der Ruderfläche einen Grenzausschlag überschreitet.
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Bei einer bekannten Sicherheitseinrichtung für diesen Zweck wird der
Grenzausschlag durch eine an der Ruderfläche angelenkte Trimmklappe bestimmt. Diese
Sicherheitseinrichtung erfordert ein kompliziertes Getriebe zwischen einem Schalter
und der Hauptruderläche einerseits und dein Schalter und der Trimmklappe andererseits.
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Ziel derErfindung ist es, eine wesentlich einfachere Sieherheitseinrichtung
zu schaffen, wobei der Grenzausschlag nicht durch eine Trimmklappe, sondern durch
eine langzeitige Mittelstellung der Hauptruderfläche bestimmt wird und bei der andererseits
ein elektrisches Signal erzeugt wird, das ein Maß für die Differenz zwischen der
augenblicklichen Stellung der Hauptruderfläche und ihrer langzeitigen Mittelstellung
darstellt.
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Die Sicherheitseinrichtung geht aus von einer Flugzeugsteuereinrichtung
mit einem den Ausschlag eines Steuerruders bewirkenden Stellmotor, von einer Flugregelanlage,
die bei automatischem Steuerbetrieb dem Stellmotor Signale zuführt, und von einer
Einrichtung, die ein Warnsignal erzeugt, wenn der plötzliche Ausschlag einer Ruderfläche
einen vorbestimmten Grenzausschlag überschreitet, und kennzeichnet sich erfindungsgemäß
dadurch, daß der vorbestimmte Grenzausschlag von der langzeitigen Mittelstellung
der Ruderfläche gemessen wird und daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, die einen
elektrischen Ausgang erzeugt, der die Differenz zwischen der Augenblicksstellung
der Ruderfläche und der langzeitigen Mittelstellung dieser Ruderfläche darstellt,
wobei der Ausgang der Einrichtungen einem Gerät zugeführt wird, das ein Warnsignal
erzeugt, wenn der Ausgang eine vorbestimmte Größe überschreitet.
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Das elektrische Signal stellt ein Maß für die Differenz der Stellungen
von Hauptruderfläche und Handsteuer dar, wobei das Handsteuer während des automatischen
Flugbetriebes langsam der Stellung der Hauptruderfläche folgt. Betätigen die Hauptruderfläche
sowie das Handsteuer je einen Schleifer eines Potentiometers, so kann man aus der
Differenz der Ausgänge der beiden Potentiometer ein elektrisches Signal erzeugen,
das ein Maß für den Ausschlag der Hauptruderfläche von einer langzeitigen Mittelstellung
ist.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das schematisch
die Sicherheitsvorrichtung in Verbindung mit einer Flugregelanlage zeigt. Ein Handsteuer
201 ist im Flugzeug um eine Achse 215 schwenkbar angebracht, unterhalb dieser
Achse verlängert und mechanisch über ein Gestänge 255 mit einer Einrichtung 216'
verbunden, die ein künstliches Steuergefühl vermittelt. Außerdem ist das Unterende
des Handsteuers mit dem einen Ende eines in seiner Mitte gelagerten Hebels
320 verbunden. Das andere Ende des Hebels 320 steht über ein Gestänge 282
mit einer mechanischen DiffGrenzbildungsvorrichtung 280 in Verbindung, deren Ausgangsglied
261 mit einem hydraulischen Steuerventil 344 verbunden ist. Die mechanische Differenzbildungsvorrichtung280
ist außerdem über ein Gestänge 281 mit dem Ausgangsglied 218 eines hydraulischen
Servomotors 210 verbunden, wobei das Ausgangsglied 218 mit einer Steuerfläche
202 (z. B. Höhenruder) des Flugzeugs in Verbindung steht.
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Dem Handsteuer 201 ist ein Potentiometer 206 zugeordnet,
dessen abgegriffene Spannung einer elektrischen Differenzbildungsstufe 268 und dem
Kontakt 343 zugeführt wird. In ähnlicher Weise ist ein Potentiometer 207 dem Ausgangsglied
218 des Servomotors
210 zugeordnet, dessen Spannung den elektrischen
Differenzbildungsstufen 268 und 245 zugeführt wird.
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Die von den Potentiometern 206 und 207 abgegriffenen
Spannungen hängen beide von der Stellung des entsprechenden zugeordneten Gliedes
ab. Wenn das Handsteuer 201 und das Ausgangsglied 218 in einander entsprechenden
gleichen Stellungen sind, so sind die abgegriffenen Spannungen im wesentlichen einander
gleich.
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Dem beweglichen Kontakt 341 werden die beiden abgegriffenen Spannungen
der elektrischen Differenzbildungsstufe 245 zugeführt. Das Differenzergebnis wird
von einem Verstärker248 verstärkt und über ein Relais C einem elektromechanischem
Wandler 208 zugeführt, der einen ein hydraulisches Steuerventil 345 betätigenden
Arm 243 aufweist. Die Nullstellung des Armes 243 befindet sich in der Mitte, und
der Arm wird nach Größe und Richtung entsprechend der Größe und Richtung des dem
Wandler zugeführten Signals verstellt.
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Ein von einem Elektromagneten gesteuertes Umschaltventil346 ist vorgesehen
und stellt eine hydraulische Verbindung her, so daß das Steuerventil 344
den Servomotor 210 steuert, wenn der Elektromagnet nicht erregt ist, und
daß das Steuerventil 345 den Servomotor 210 steuert, wenn der Elektromagnet erregt
ist. Das Steuerventil 344 ist der mechanischen Differenzbildungsvorrichtung 208
zugeordnet und wird daher im folgenden als »mechanisches« Steuerventil bezeichnet.
Das Steuerventil 345 ist über den elektromechanischen Wandler208 der elektrischen
Differenzbildungsstufe 245 zugeordnet und wird daher im folgenden als »elektrisches«
Steuerventil bezeichnet.
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Die Anordnung ermöglicht zwei Arbeitsweisen, und zwar die mechanisch-hydraulische,
die dem unerregten Zustand des Umschaltventils 346 entspricht, und die elektrohydraulische,
die auf dem erregten Zustand des Umschaltventils beruht.
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Bei dem mechanisch-hydraulischen Zustand wird das Handsteuer
201 gegen Kräfte bewegt, die von der Gefühlseinrichtung 216' erzeugt werden.
Durch die von dem Hebel 320 und dem Gestänge 282 vorgesehene mechanische Verbindung
wird das untere Ende der mechanischen Differenzbildungsvorrichtung 280 bewegt.
Das Ausgangsglied 261 betätigt das mechanische Steuerventil 344, unter dessen
Einfluß Flüssigkeit, die aus einer nicht dargestellten Hochdruckquelle stammt, den
Servomotor 210 betätigt. Das Ausgangsglied 218 des Servomotors 210 bewegt die Steuerfläche
202 und führt außerdem seine Bewegung über das Gestänge 281 zur mechanischen
Differenzbildungsvorrichtung 280 zurück und bringt das mechanische Steuerventil344
in seine Nullstellung zurück, wobei der Zufluß der Hochdruckflüssigkeit vom Servomotor210
abgeschaltet wird. Auf diese Weise hat der Servomotor 210 die Steuerfläche 202 in
einem Ausmaß bewegt, das der Bewegung des Handsteuers 201 entspricht.
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Bei der elektrohydraulischen Arbeitsweise ist das Umschaltventil 346
erregt, und die Anordnung kann von Hand oder selbsttätig gesteuert werden. Zur Handsteuerung
wird das vom Potentiometer 206 abgegriffene Signal über die Kontakte 343 und 341
der elektrischen Differenzbildungsstufe 245 zugeführt. Bei selbsttätiger Steuerung
wird einem Selbststeuergerät 340 ein Signal entnommen und der elektrischen Differenzbildungsstufe
245 über einen Kontakt 342 und den Kontakt 341 zugeführt, nachdem der Kontakt 341
gegenüber der in der Zeichnung dargestellten Lage umgeschaltet wurde. Eine Änderung
des Signals aus dem -Rotentiometer 206, die durch eine Bewegung des Handsteuers
201 oder des Signals aus dem Selbststeuergerät 340 (je nachdem welche
Steuerung eingeschaltet ist) erfolgt, ruft in der elektrischen Differenzbildungsstufe
245 ein Differenzsignal hervor, das über den Verstärker248 das RelaisC und den Wandler
208 das elektrische Steuerventil 345 betätigt, unter dessen Einfluß der Servomotor210
von Hochdruckflüssigkeit betrieben wird. Eine Bewegung des Ausgangsgliedes 218 ändert
das vom Potentiometer 207 abgegriffene Signal im Sinn einer Verringerung des Differenzsignals.
Wird das Differenzsignal Null, so kehrt das elektrische Steuerventil345 in seine
ursprüngliche Nullstellung zurück, und es wird der Zufluß von Flüssigkeit zum Servomotor
210 abgeschaltet. Auf diese Weise ist das Ausgangsglied 218 des Servomotors
210 in einem Ausmaß bewegt worden, das der Bewegung des Handsteuers 201 oder
der vom Selbststeuergerät 340 angegebenen Bewegung entspricht.
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Im Flugzustand weist während der selbsttätigen elektrohydraulischen
Betriebsart die mechanische Verbindung zwischen dem Servomotor 210 und dem Handsteuer
201 einen toten Gang auf, so daß das Handsteuer 201 bei einer Bewegung des Ausgangsgliedes
218 des Servomotors 210 nicht bewegt wird. Dieser tote Gang tritt im wesentlichen
durch die Bewegungsfreiheit des Ausgangsgliedes 261 der mechanischen Differenzbildungsvorrichtung
280
auf. Das Handsteuer 201 wird in eine langzeitige Mittelstellung durch
die Gefühlseinrichtung 216' bewegt, die Zentrierkräfte am Handsteuer, beispielsweise
mit Hilfe von Federn hervorruft. Die zentrierte Stellung wird durch Einstellung
der Gefühlseinrichtung 216' mit Hilfe eines Trimmotors 216" geändert. Der Trimmotor
wird durch die verstärkte Ausgangsgröße der elektrischen Differenzbildungsstufe
268 gesteuert. Dieser Stufe 268 werden die Abgriffssignale vom Handsteuer und vom
Servomotor zugeführt. Der Trimmotor 216" ist ein sehr langsam laufender Motor, der
die Gefühlseinrichtung 216' und das Handsteuer 201 in Langzeit-Mittelstellungen
bringt.
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Solange die Bewegung der Steuerfläche 202 innerhalb des toten
Ganges der Verbindung zum Handsteuer 201 liegt, stellt das vom Potentiometer 206
abgegriffene Signal die Langzeit-Mittelstellung der Steuerfläche dar. Das Differenzsignal
aus der Stufe 268 gibt die Abweichung der Steuerfläche aus ihrer langzeitigen Mittelstellung
an. Es ist wünschenswert, daß durch eine Warneinrichtung angezeigt wird, wann dieses
Differenzsignal einen der maximal zulässigen Auslenkung der Steuerfläche entsprechenden
Wert erreicht.
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Für diesen Zweck ist ein Relais E vorgesehen, das mit dem Ausgang
der Stufe 268 verbunden und so eingerichtet ist, daß es bei einer vorbestimmten
Größe dieses Differenzsignals arbeitet. Das Relais E öffnet Kontakte Ei, die mit
Kontakten Cl und Selbsthaltekontakten Dl des Relais D in Reihe geschaltet sind.
Das Relais D ist während der elektrohydraulischen Steuerung erregt und bewirkt durch
Schließen der Kontakte D2 eine Erregung des Magneten des Umschaltventils 346, wodurch
der elektrohydraulische Betriebszustand hergestellt wird. Wenn die
Kontakte
El geöffnet werden, fällt das Relais D ab und öffnet die Kontakte D2, wodurch die
Erregung des Magneten des Umschaltventils 346 beendet wird und die Anordnung in
den mechanisch-jhydraulischen Betriebszustand zurückkehrt, der als Notzustand betrachtet
werden kann. Zur Einschaltung des elektrohydraulischen Betriebszustandes können
unter normalen Bedingungen die Kontakte Dl mit Hilfe eines am Armaturenbrett des
Piloten vorgesehenen Druckknopfes kurzgeschlossen werden.
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Die vorbestimmte Größe des Differenzsignals, bei dem das Relais E
arbeitet, wird vorzugsweise in Übereinstimmung mit der Fluggeschwindigkeit geändert,
da es wünschenswert ist, daß die Bewegungen der Steuerfläche mehr und mehr verringert
werden, während sich die Geschwindigkeit des Flugzeugs erhöht. Zu diesem Zweck ist
parallel zum Relais E ein veränderbarer Nebenschlußwiderstand 347 vorgesehen, der
von einem Erzeuger 348 eines Fluggeschwindigkeitssignals in dem Sinne eingestellt
wird, daß die Empfindlichkeit des Relais E mit zunehmender Fluggeschwindigkeit wächst.
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Dadurch nimmt das Ausmaß der notwendigen Bewegung der Steuerfläche
202 aus ihrer langzeitigen Mittelstellung mit zunehmender Fluggeschwindigkeit ab
und vera.nlaßt das System, in den mechanischhydraulischen Betriebszustand zurückzukehren.
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Das System kann so eingerichtet werden, daß das zur Betätigung des
Relais E bei sehr geringen Fluggeschwindigkeiten erforderliche Signal das höchsterzielbare
Differenzsignal, das dem ganzen überwundenen toten Gang entspricht, übersteigt.
Durch eine solche Anordnung können sehr große Bewegungen der Steuerfläche bei sehr
geringen Geschwindigkeiten ausgeführt werden, ohne daß das System in den mechanisch-hydrauhschen
Betriebszustand zurückkehrt.
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Der das Relais E einschließende Schutzkreis ist sowohl bei Handsteuerung
als auch bei selbsttätiger Steuerung im elektrohydraulischen Betriebszustand in
Tätigkeit, benötigt aber selbstverständlich keinen Schutz während des mechanisch-hydraulischen
Betriebszustandes. Während der elektrohydraulischen Handsteuerung stellt das dem
Relais E zugeführte Differenzsignal nicht eine Abweichung der Steuerfläche von einem
langzeitigen Mittelwert dar, sondern gibt an, daß der Servomotor 210 der
Bewegung des Handsteuers 201 nicht folgt.
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Das Relais C bietet einen weiteren Schutz und arbeitet, wenn der Verstärker
248 infolge eines Fehlers eine übermäßige Ausgangsgröße abgibt. Beim Ansprechen
des Relais C wird der in Reihe mit dem Relais D liegende Kontakt C1 geöffnet, wodurch
das System in ähnlicher Weise wie beim Relais E in den mechanisch-hydraulischen
Betriebszustand zurückkehrt.
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Ein Signal, das der langzeitigen Mittelstellung der Steuerfläche entspricht,
kann andererseits auch in der Weise hergeleitet werden, daß ein Potentiometer dem
Teil der Gefühlseinrichtung 216' zugeordnet wird, der mit dem Trimmotor 216" verbunden
ist. Ein in dieser Weise erzeugtes Abgriffssignal würde die langzeitige Mittelstellung
der Steuerfläche darstellen und den möglichen Vorteil haben, daß die Größe der Differenz
zwischen diesem Abgriffssignal und dem Abgriffssignal des Servomotors 210 nicht
auf einen Wert begrenzt würde, der dem ganzen toten Gang des Gestänges entspricht,
was der Fall ist, wenn ein Abgriffssignal vom Handsteuer 201 abgenommen wird.
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Das Potentiometer kann durch andere Signalerzeuger, wie z. B. induktive
Geber u. dgl., ersetzt werden. Als weitere Alternative kann das dem Relais E zugeführte
elektrische Signal dadurch erzielt werden, daß ein der Auslenkung der Steuerfläche
202 entsprechendes Signal einem Filter zugeführt wird, z. B. einem einfachen RC-Glied
mit großer Zeitkonstante, von dem eine Spannung entnommen wird, die der Abweichung
der Steuerfläche von ihrer langzeitigen Mittelstellung entspricht.