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Vorrichtung zur Stabilisierung und Steuerung von lotrecht startenden
und landenden Luftfahrzeugen Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur
Stabilisierung und Steuerung von lotrecht startenden und landenden Luftfahrzeugen,
die mit einem oder mehreren am Rumpf unveränderlich angeordneten Strahltriebwerken
ausgerüstet sind, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, die durch Veränderung der
Triebstrahlrichtung Steuerimpulse erzeugen, die bei Abweichung von einer vorbestimmten
Fluglage auf eine Nachlaufsteuerautomatik ansprechen.
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Es sind bereits Luftfahrzeuge bekannt, deren Triebwerke beim lotrechten
Start und Landung für Steuerungszwecke und Stabilisierungsaufgaben verwendet werden.
Hierbei werden die Triebwerke jeweils im ganzen mit ihrer Achse gegenüber dem Rumpf
des Luftfahrzeuges verstellt, wodurch der aus den Triebwerksdüsen austretende Gasstrahl
in die für die Steuerung erforderliche Richtung gelenkt wird. Diese bekannte Vorrichtung
dient im wesentlichen zur Verringerung des Startanlaufs der mit schwenkbaren Strahltriebwerken
ausgerüsteten Luftfahrzeuge. Diese bekannten Mittel reichen jedoch nicht aus, um
einen völlig lotrecht verlaufenden Start oder Landung zu ermöglichen, wobei Start
und Landung auf eine bestimmte Fläche beschränkt ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einer Vorrichtung
aus, die zur Steuerung und Stabilisierung von lotrecht startenden und landenden
Luftfahrzeugen, die mit einem oder mehreren am Rumpf unveränderlich angeordneten
Strahltriebwerken ausgerüstet sind, dient und die sich erfindungsgemäß kennzeichnet
durch Einrichtungen zur Veränderung der Richtung des Triebstrahles oder der Triebstrahlen
oder zur unmittelbaren Einwirkung auf die Außenluft durch unmittelbare Rückstoßwirkung
von Druckluft, wobei diese Einrichtungen von einem Steuerknüppel über eine Nachlaufsteuerung
betätigt werden, die auf die Fluglage des Luftfahrzeuges bei Abweichungen von einer
bestimmten Lage anspricht, wobei die Größe dieser Abweichungen und/oder ihre Änderungsgeschwindigkeit
durch entsprechende Organe festgestellt wird.
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Die Vorrichtung ermöglicht bei einem Luftfahrzeug mit Strahltriebwerk
zum lotrechten Starten und Landen folgende Steuerungs- und Stabilisierungsmonöver:
Höhen- und Seitensteuerung durch pneumatische oder mechanische Beeinflussung des
Triebstrahles, wobei die Steuermomente durch eine Reaktionskraft erzeugt werden
Querrudersteuerung zur Steuerung der Drehbewegungen um die Längsachse durch Drehung
des Strahles mittels mechanischer oder pneumatischer Beeinflussung oder durch eine
unmittelbar mit Druckluft erzeugte Reaktionswirkung ohne Beeinflussung des Strahles;
Nachlaufsteuerung der Steuerungseinrichtungen zum Zwecke der Stabilisierung; Fernsteuersystem
oder unmittelbares. Steuersystem zur Bestimmung der Fluglage und der Winkelgeschwindigkeit;
Vorrichtung zum Ausgleich der durch die sich drehenden Massen oder durch äußere
Einflüsse hervorgerufenen Störwirkungen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt;
es zeigt Fig. 1 schematisch ein mit der Vorrichtung ausgerüstetes Turbinenstrahltriebwerk,
Fig. 2 eine Ansicht der Austrittsdüse in vergrößertem Maßstab, Fig. 3 die Einrichtungen
der Austrittsdüse zur Erzeugung eines Momentes um die Längsachse, Fig. 4 einen Schnitt
längs der Linie IV-IV von Fig. 3, Fig. 5 ein elektrisches Schaltbild für den Betrieb
der Vorrichtung, Fig. 6 und 7 Darstellungen der Fig. 1 und 5 in einer abgewandelten
Ausführungsform,
Fig. 8, 9, 10 und 11 schematische Darstellungen
für die gegenseitige Lage des Luftfahrzeugschwerpunktes und des Angriffsquerschnitts
des Schubes des Strahltriebwerks.
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Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform sieht man bei
T die Ausstoßdüse eines Turbinenstrahltriebwerks R. In der Ebene der Austrittsöffnung
dieser Düse münden vier paarweise einander gegenüberliegende Hilfsdüsen, die sich
über einen Bogen von etwas weniger als 90° erstrecken. Die obere und untere, mit
1 bezeichnete Hilfsdüse sowie die auf halber Höhe liegenden, mit 2 bezeichneten
Hilfsdüsen haben die Form von stromaufwärts geneigten Schlitzen.
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Die Hilfsdüsen 1-1 stehen mit den Kammern 3-3 in. Verbindung, worin
die Leitungen 4-4 münden, die mit einer Leitung 5 für die Zuführung des Druckmittels
über einen Dosierhahn 6, der die Änderung der Durchflußmenge in jeder Leitung 4
ermöglicht, verbunden sind. An einer Stelle 7 der Leitung 5 ist eine Abzweigung
8 angeschlossen, die mit einem dem Hahn 6 ähnlichen Dosierhahn 9 versehen ist, der
die durch die Leitungen 10-10 den die Schlitze 2 speisenden Kammern 11 zugeführten
Durchflußmengen in entgegengesetztem Sinn regelt.
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Die Leitung 5 ist mit einem Ventil 12 versehen und führt zu einer
Sammelleitung 17, die einen Teil des Triebstoffes des Turbinenstrahltriebwerks z.
B. am Ausgang des Verdichters entnimmt.
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In der Normalstellung bewirken die Hähne 6 und 9 eine gleiche Durchflußmenge
für die vier Hilfsdüsen 1-1. Die vier Hilfsdüsen bilden dann. einen ringförmigen,
in der Querrichtung strömenden Hilfsstrahl, der eine aerodynamische Verengung auf
den aus der Düse T austretenden Hauptstrahl ausübt, was einer Verringerung ihrer
Austrittsquerschnitte gleichkommt. Eine derartige Vorrichtung zur aerodynamischen
Verengung soll mechanische Vorrichtungen, beispielsweise Klappen oder Nadelventile,
ersetzen.
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Die Verengungswirkung wird durch das Ventil 12 geregelt, das die gesamte
den Verengungsschlitzen gelieferte Durchflußmenge überwacht. Die Steuerung dieses
Ventils kannselbsttätig durch die übliche, nicht dargestellte Regelvorrichtung des
Turbinenstrahltriebwerks erfolgen.
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Zur Ausübung einer Steuerwirkung auf das Luftfahrzeug werden die Hähne
6 oder 9 in entsprechender Weise betätigt. Wenn z. B. ein Sturzflug oder eine überzogene
Fluglage ausgeführt werden soll, wird der Hahn 6 so betätigt, däß entweder der obere
Schlitz auf Kosten des unteren mehr gespeist wird oder umgekehrt.
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In gleicher Weise wird der Kurvenflug durch die Betätigung des Hahns
9 geregelt.
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Der vorherrschende Hilfsstrahl erzeugt somit durch ; eine der Hilfsdüsen
eine Ablenkwirkung am Hauptstrahl, wobei die Düse durch eine konvexe Verlängerung
13 verstärkt wird.
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Durch die Betätigung der Dosierhähne 6 und 9 erfolgen somit die Höhensteuerung
und die Seitensteue- i rung des Luftfahrzeuges.
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Die Quersteuerung um die Längsachse des Luftfahrzeuges kann dadurch
erfolgen, daß der Triebstrahl mit Hilfe von einstellbaren Schaufeln 42 in Drehung
versetzt wird, die der Triebströmung eine schraubenförmige Bewegung in dem einen
oder dem anderen Sinn erteilen. Diese Steuerung kann auch (Fig. 3 und 4) durch unmittelbare
Rückstoßwirkung des durch die Sammelleitung 17 entnommenen verdichteten Strömungsmittels
auf die Außenluft erzielt werden.
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Die Durchflußmenge dieses verdichteten Strömungsmittels wird durch
ein Ventil 18 geregelt, das über eine Leitung 19 ein Verteilerventil 20 speist.
Dieses Verteilerventil speist entweder die mit einen positiven Drehsinn erzeugenden
Düsen 22a und 22 b versehenen Leitungen 21 a und 21 b oder die Leitungen 23 a und
23 b, die zu den Düsen 24 a und 24 b führen, wodurch ein negativer Drehsinn erzeugt
wird. Bei der als Beispiel angegebenen Ausführungsform enden die Leitungen 21 a,
21 b, 23 a, 23 b alle in besonders für das Luftfahrzeug ausgebildeten Landebeinen
A -B, in welche die Düsen 22a und 22b so eingebaut sind, daß
sie in einer Richtung liegen; die der Einbaurichtung der Düsen 24 a und 24 b diametral
entgegengesetzt ist.
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Die für Turbostrahltriebwerke beschriebene Steuervorrichtung ist auch
für Staustrahltriebwerke oder andere Antriebsaggregate verwendbar, z. B. für die
Kombination von Staustrahltriebwerken und Turbostrahltriebwerken.
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Die Vorrichtung gestattet die Steuerung bei allen Fluggeschwindigkeiten,
selbst bei Stillstand, da der für die bekannten aerodynamischen Steuerungen erforderliche
Fahrwind nicht benutzt werden kann. Infolge des Fehlens einer aerodynamischen Wirkung
bei geringen Fluggeschwindigkeiten ist nun aber das Luftfahrzeug auf die verschiedenen
Störungen sehr empfindlich, wie auf die zufällige exzentrische Lage des Triebstrahles,
auf die Drehung des Stromfadens am Austritt aus der Turbine oder aus der Ausstoßdüse,
auf die durch die drehenden Teile erzeugten gyroskopischen Momente, auf die von
der Änderung des Betriebszustandes des Strahltriebwerks herrührenden Reaktionskräfte,
Böen, Seitenwinde usw. Im Gegensatz zu den mit großer Geschwindigkeit fliegenden
Luftfahrzeugen tritt bei den lotrecht fliegenden Luftfahrzeugen bei den geringen
Start- oder Landegeschwindigkeiten keine aerodynamische Stabilisierung oder Dämpfung
auf.
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Eine Stabilisierung und Dämpfung wird daher künstlich durch eine Nachlaufsteuerung
(Fig. 1 und 5)
für die Steuerorgane der drei Bewegungsachsen erzeugt.
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Ein Ausschlag des Steuerknüppels 31 verstellt den Schieber eines Spannungsteilers
33 in negativer oder positiver Richtung in bezug auf einen Widerstand mit Mittelanzapfung
34, mit dem er zu einer Wheatstone,-sehen Brücke zusammengeschaltet ist. Diese Steuerung
wird auf einen Steuerkasten 32 übertragen, der den Speisekreis eines elektrischen
Stellmotors 36 über ein polarisiertes Relais 37 schließt.
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Der elektrische Stellmotor 36 dreht sich im Uhrzeigersinn; wenn die
Betätigung des Steuerhebels positiv ist, und in entgegengesetztem Sinn bei negativer
Betätigung des Steuerhebels. Der Stellmotor 36 betätigt das Luftverteilerventil9,
das den Druckluftstrahl in die eine oder die andere der Leitungen 10 leitet, die
zu den gegenüberliegenden Sektoren 2 führen, und der Steuerung des Piloten, beispielsweise
Seitensteuerung, entsprechen.
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Ein Kreiselgerät 35 stellt die Winkelgeschwindigkeit um die Querachse
t fest und verstellt den Schieber eines Spannungsteilers 38 in positiver oder negativer
Richtung in bezug auf einen Widerstand mit Mittelanzapfung 39, mit dem er zu einer
Wheatstoneschen
Brücke zusammengeschaltet ist. Ein einen Widerstand
61 und eine Kapazität 62 enthaltender Stromkreis integriert einen Teil der in der
Diagonalen der Wheatstoneschen Brücke fließenden Stromes, und eine Spule 63 des
polarisierten Relais wird in Abhängigkeit von dem an den Klemmen der Kapazität abgenommenen
Integrationspotential gespeist. Diese neue Steuerung vergrößert (oder verkleinert)
die dem polarisierten Relais durch die Stellung des Spannungsteilers 33 zugeführte
Spannung. Der dritte auf das polarisierte Relais, des Steuerkastens übertragene
Wert wird durch den Rückschluß 40 des elektrischen Stellmotors 36 gebildet.
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Die Geschwindigkeit des Stellmotors ändert sich proportional zur Summe
der festgestellten Werte. Das erzeugte Moment ist der Stellung des Stellmotors,
d. h. dem Integral der festgestellten Werte proportional. Das Rückführmoment wird
somit durch die Integration der Feststellung der Winkelgeschwindigkeit gesteuert.
Die Dämpfung wird durch eine Phasenverschiebung zwischen der Geschwindigkeit des
Stellmotors und den festgestellten Werten erzeugt.
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Zwei gleichartige Anordnungen sind für die beiden anderen Steuerungen
vorgesehen. In Fig. 5 sind die drei Steueranordnungen d, p, q für die Seiten-,
Höhen-und Querrudersteuerung dargestellt.
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Bei der im unteren Teil der Fig. 1 dargestellten Steuerung ist das
gleiche Prinzip der elektrischen Steuerung und Feststellung mit Nachlaufsteuerung
angewandt, wie das für die Seitensteuerung d beschriebene, doch ist hier das integrierende
Kreiselgerät 35 der Längsachse r zugeordnet.
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Bei dem Beispiel der Fig. 1 sind die einstellbaren Schaufeln
42 nicht für die Querrudersteuerung benutzt. Sie dienen zur Ausrichtung der
Strömung am Ausgang 41 der Turbine zur Aufhebung der restlichen schraubenförmigen
Translationsbewegungen dieser Strömung und sind ein für allemal fest eingestellt.
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Das in Fig. 1 und 2 dargestellte System zur pneumatischen Beeinflussung
des Triebstrahles kann auch mechanisch ausgeführt werden, wobei die Einrichtungen
für den Antrieb, die Feststellung der Werte und die Nachlaufsteuerung die gleichen
sind. Der Unterschied besteht nur darin, daß dann vier Stellmotore je eine in den
Weg des Triebstrahles gebrachte Störklappe steuern.
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Fig. 6 zeigt ein Turbinenstrahltriebwerk R mit mechanischer Höhensteuerung
und Seitensteuerung. Diese Steuerungen werden durch einziehbare Störklappen 14 gebildet,
die um 90° gegeneinander versetzt sind und durch hydraulische Einzelstellmotore
49 angetrieben werden, wobei die einem Paar von einander gegenüberliegenden Störklappen
entsprechenden Stellmotore einem und demselben Steuerkasten zugeordnet sind.
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Die Wirkung der einziehbaren Störklappen entspricht der Wirkung der
oben beschriebenen Hilfsdüsen 1 und z. Bei Einführung einer Störklappe in den Strahl
wird eine Ablenkung desselben in der entgegengesetzten Richtung und somit ein Steuermoment
erzeugt. Die oberen und unteren Störklappen erzeugen so ein Sturzflugmoment bzw.
ein überziehmoment, d. h. eine Bewegung des Luftfahrzeuges um seine Querachse t,
während die seitlichen Störklappen einer Linkskurve oder Rechtskurve entsprechen,
d. h. einer Drehung um die Hochachse 1. Die Querrudersteuerung, d. h. die Drehung
um die Längsachse r wird mit Hilfe von einstellbaren Schaufeln 16 erhalten, die
den Schaufeln 42 der Fig. 1 entsprechen, deren Einstellung aber durch einen hydraulischen
Stellmotor 50 geregelt wird, der mit einem mit der Achse 18 der Schaufel fest verbundenen
Hebel 18a gekuppelt ist.
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Die Steuerung der Schaufeln 16 ist synchronisiert. Diese Schaufeln
können einen positiven oder negativen Anstellwinkel in bezug auf die Stromfäden
der Triebströmung haben, wodurch diese im Uhrzeigersinn oder in entgegengesetztem
Sinn um die Längsachse in Umdrehung versetzt wird und ein Rollmoment entsprechenden
Vorzeichens erzeugt.
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Fig. 6 und 7 zeigen die Vorrichtung für die Nach laufsteuerung dieser
Steuerungen, deren Grundsatz dem der vorhergehenden Ausführungsform entspricht.
Bei der Ausführungsform der Fig. 7 wird jedoch die Steuerwirkung durch Beeinflussung
des Triebstrahles durch Düsen bildende Störklappen erzeugt, die gleichzeitig mechanisch
und pneumatisch wirken.
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Ein Kreiselgerät 43 stellt die Winkelneigung zwischen zwei Ebenen
und die beiden Kreiselgeräte 44 und 45 stellen die Winkelgeschwindigkeiten für die
beiden Querachsen fest, wobei t und l die Querachse und die Hochachse
darstellen.
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Ein Ausschlag des Steuerknüppels 31 betätigt wie im Fall der Fig.
1 die Steuerkästen 47, 47' oder 47". Bei dem dargestellten Beispiel sind diese Steuerkästen
doppelt ausgebildet, d. h., ein elektrischer Steuerkasten betätigt einen hydraulischen
Verteilerkasten.
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Je nach der durch die Summe der festgestellten Werte bestimmten Stellung
des polarisierten Relais 37 überträgt der hydraulische Steuerkasten die entsprechende
Steuerbewegung auf die einer Störklappe 14 entsprechenden hydraulischen Stellmotor
49 oder auf den den Schaufeln 16 entsprechenden Stellmotor 50.
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In Fig. 7 sind zur klaren Darstellung elektrische Stellmotore 49a
und 50a gezeichnet, die natürlich den hydraulischen Stellmotoren 49 und 50
der Fig. 6 gleichwertig sind; die elektrischen Steuerkästen 47 a, 47a' und 47d'
sind ebenfalls den elektrisch-hydraulischen Steuerkästen 47, 47' und 47" gleichwertig.
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Die Stellungen der die Störklappen 14 steuernden hydraulischen Stellmotore
49 und der die Schaufeln 16 zur Erzeugung der Drehbewegung des Triebstrahles steuernden
hydraulischen Stellmotore 50 bestimmen die Stellung von Schiebern der Spannungsteiler
51, die mit Widerständen mit Mittelanzapfung 52 zu Wheatstoneschen Brücken zusammengeschaltet
sind, und übertragen auf den Steuerkasten einen festgestellten Wert, der zu der
Summe der festgestellten Werte hinzugefügt wird.
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Außerdem stellt bei der Längsachsensteuerung ein Generator 48 die
Ableitung der Drehgeschwindigkeit des Motors nach der Zeit dNldt fest und überträgt
sie auf den elektrischen Teil des Steuerkastens. Diese Ableitung tritt dann zur
Summe der festgestellten Werte hinzu und gestattet die Berücksichtigung und den
Ausgleich der Rückwirkungen, die auf das Luftfahrzeug bei jeder Änderung des Betriebszustandes
des Motors ausgeübt werden, da jede Beschleunigung oder Verzögerung des Motors eine
Neigung des Luftfahrzeuges zu einer Drehung um seine Längsachse zur Folge hat.
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Die für den Antrieb durch ein Turbinenstrahltriebwerk beschriebene
Vorrichtung kann auch bei einem
Antrieb durch ein Staustrahltriebwerk
verwendet werden, wobei dann ein Aggregat zur Erzeugung von Druckluft die Sammelleitung
zur Luftentnahme des Turbinenstrahltriebwerks ersetzt.
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Die Vorrichtungen zur Steuerung und zur übertragung bei allen Ausführungsformen
können elektronisch oder elektrohydraulisch sein.
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In den Fig. 8 bis 11 ist schematisch ein Luftfahrzeug E mit seinen
Stützbeinen F für den lotrechten Start dargestellt. Das Strahltriebwerk ist in das
Tragwerk des Luftfahrzeuges fest eingebaut, und zwar mündet die Ausstoßdüse des
Strahltriebwerks in eine am hinteren Teil des Rumpfes (oder der Motorverkleidung)
liegende Ebene H, während der Schwerpunkt G vor dem Austrittsquerschnitt des Strahles
und der auf diesen wirkenden Ablenkvorrichtung liegt.
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Die Ablenkung des Strahles erfolgt praktisch am Austritt der Ausstoßdüse,
und der abgelenkte Strahl bildet einen Winkel mit der Symmetriebachse S-S des Luftfahrzeuges.
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Das aerodynamische Zentrum des Luftfahrzeuges liegt im allgemeinen
hinter dem Schwerpunkt, und zwar zwischen dem Schwerpunkt und der Ausstoßdüse, wodurch
die Anbringung des Flügels. in der üblichen Lage gewährleistet ist.
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Die Vorrichtung nimmt eine selbsttätige Stabilisierung vor, wenn der
Pilot die Achse S-S des Luftfahrzeuges neigt oder wenn eine Störung die Lage dieser
Achse zu verändern sucht.
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Hierfür ist die Nachlaufsteuerung so ausgebildet, daß ein konstantes
Verhältnis zwischen der eingestellten Schräglage und der Strahlablenkung besteht.
Bei jeder vom Wind oder von der Abweichung des Strahles aus der zentralen Lage herrührenden
Störung lenkt die Steuervorrichtung selbsttätig den Strahl so ab, daß die Längsachse
des Apparates wieder in die lotrechte Stellung zurückgeführt wird.
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Bei einem Seitenwind (Fig. 8), dessen Kraft V am aerodynamischen Zentrum
angreift und das Luftfahrzeug um seinen Schwerpunkt gegen den Uhrzeigersinn zu verdrehen
sucht, tritt eine Ablenkung des Schubes Q auf, dessen Komponenten Q' und Q" zusammen
mit V und dem Gewicht P eine allgemeine Resultierende ergeben, die gleich Null ist;
es bleibt jedoch noch ein Moment übrig, das jetzt das Luftfahrzeug im Uhrzeigersinn
zu verdrehen sucht. Durch eine Verringerung der Ablenkung wird dieses Moment zu
Null gemacht, worauf die Achse des Luftfahrzeuges eine gewisse Schräglage einnimmt
(Fig. 9). Wenn der Wind aufhört, wird die Achse des Luftfahrzeuges in ihre lotrechte
Stellung zurückgeführt, Ohne Eingreifen des Piloten wird demnach das Gleichgewicht
zwischen den Momenten und den Seitenkräften durch Schrägstellung selbsttätig hergestellt,
so daß der Pilot den Schub nur entsprechend der. gewünschten Höhe zu ändern braucht.
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Liegt der Schwerpunkt exzentrisch (Fig. 10), so versucht das Gewicht
das Luftfahrzeug gegen den Uhrzeigersinn zu verdrehen, wobei dieser Drehung die
ablenkende Wirkung des Strahles entgegengesetzt wird. Die vollständige Abgleichung
erfordert auch hier eine Schräglage der Achse des Luftfahrzeuges in der in Fig.
11 dargestellten Weise.