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Fliegerschulungsgerät zur Nachahmung der Wirkungsweise von Magnetkompassen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Lehrgerät zum Ausbilden von Navigations- und
Flugschülern in der Auswertung der Anzeige von Magnetkompassen und behandelt insbesondere
die Attrappensteuerung eines Magnetkompasses, der in ein Bodengerät zum Ausbilden
von Flugschülern eingebaut ist.
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Die für Luftfahrzeuge entwickelten Magnetkompasse liefern infolge
verschiedener Einflüsse keine fehlerfreie Kursanzeige. Für die richtige Anwendung
eines Magnetkompasses zur Kursbestimmung kommt es daher im wesentlichen darauf an,
seine Anzeige richtig auszuwerten und die gegebenenfalls erforderlichen Berichtigungen
oder Kompensationen vorzunehmen. Um für Lehrzwecke die Wirkungsweise eines Magnetkompasses
und seiner Fehlereinflüsse nachzuahmen, sind verschiedene Schulungsgeräte entwickelt
worden, deren Wirklichkeitstreue und Genauigkeit für die bisherigen Verhältnisse
ausreichend war. Die Entwicklung von Schnellflugzeugen und die Erfordernisse für
äußerst genaue Navigationsverfahren haben jedoch zu der Aufgabe geführt, die Wirkung
eines Magnetkompasses bei einem Bodengerät zum Ausbilden von Flugschülern noch mit
weit größerer Wirklichkeitstreue und Genauigkeit nachzuahmen.
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Bisher hat man sich bei Fliegerschulungsgeräten für diesen Zweck damit
begnügt, die magnetische Abweichungen, manuell durch den Fluglehrer einstellen zu
lassen. Eine wirklichkeitsgetreue Wiedergabe der magnetischen Abweichungen in Abhängigkeit
von Änderungen des Standortes des Flugzeuges war dabei nur möglich, wenn der Fluglehrer
diese Einstellung fortlaufend durchführte. Auch war bei diesen bekannten Geräten
eine Nachahmung der dynamischen Einflüsse, die sich durch Änderungen des Kurses,
der Beschleunigung, der Quer- und Längsneigung und des Standortes des Flugzeuges
ergeben, nur bedingt möglich.
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Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, ein Fliegerschulungsgerät
vorzuschlagen, das die Wirkungsweise von Magnetkompassen in Luftfahrzeugen wirklichkeitsgetreu
nachahmt. Zu diesem Zwecke werden die Eigenschaften des erdmagnetischen Feldes erfaßt
und die Anzeigefehler eines Magnetkompasses nachgeahmt, die sich aus Änderungen
des Kurses, der Beschleunigung, der Quer- oder Längsneigung und des Standortes des
Flugzeuges ergeben. Auch werden die einem Magnetkompaß eigentümlichen Anzeigefehler
nachgeahmt, die durch verschiedene äußere und innere Einflüsse hervorgerufen werden.
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Erfindungsgemäß kennzeichnet sich das Lehrgerät durch Schaltmittel,
die dem Rechengerät eine erste, dem nachgeahmten rechtweisenden Steuerkurs entsprechende
Eingangsgröße liefern, ferner durch Schaltmittel, die dem Rechengerät eine zweite
der nachgeahmten Ortsmißweisung entsprechende Eingangsgröße liefern, sowie durch
Schaltmittel, die die erste und die zweite Eingangsgröße zu einer dem nachgeahmten
mißweisenden Steuerkurs entsprechenden Steuergröße zusammenfassen, weiterhin durch
Schaltmittel, die dem Rechengerät eine dritte Eingangsgröße liefern, die die für
den anliegenden Kurs auftretende Deviation darstellt, und schließlich durch Schaltmittel
zum Zusammenfassen des mißweisenden Steuerkurses mit der dritten Eingangsgröße,
die eine den nachzuahmenden Kompaßkurs wiedergebende Größe liefern.
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Ein Ausführungsbeispiel des Fliegerschulungsgerätes ist in der Zeichnung
dargestellt, es zeigt: Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung des Gerätes, Fig.
2 das elektrische Schaltschema der Einrichtungen zum Umwandeln einer nachgeahmten
Kursanzeige und Fig. 3 das elektrische Schaltschema einer Analogie-Rechenschaltung
zum Ermitteln der verschiedenen Fehlergrößen des Magnetkompasses.
Um
die Fehler nachzuahmen, denen ein Magnetkompaß bei der Kursanzeige unterliegt, muß
man zuerst die verschiedenen Größen ermitteln, die an jedem Standort das erdmagnetische
Feld kennzeichnen und die sich mit der geographischen Breite und Länge ändern. Eine
dieser Größen ist die »magnetische Mißweisung«, die durch den Winkel zwischen dem
geographischen Meridian und dem magnetischen Meridian gegeben ist. Als zweite Komponente
der Feldstärke des erdmagnetischen Feldes ist die Horizontalintensität von Bedeutung.
Weiterhin kommt als eine mit dem Standort sich verändernde Größe die magnetische
Inklination in Betracht, d. h. die Neigung der Feldlinien des erdmagnetischen Feldes
gegen die Horizontale. Zur Steuerung der Magnetkompaßattrappe werden elektrische
Spannungen erzeugt, die jede der drei Kennzeichen des erdmagnetischen Feldes wiedergeben,
wobei die drei Spannungen selbsttätig durch ein elektrisches Steuergerät abgeleitet
werden, das die Ausgangsgrößen als Funktion der beiden unabhängig Veränderlichen,
der geographischen Breite und Länge bildet.
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Fig. 1 zeigt ein Steuergerät, das auf der Wirkung dreidimensionaler
Schubkurven beruht. Der Schubkurvenkörper 1 ist so profiliert, daß er die
Änderungen der magnetischen Abweichung mit sich ändernder Breite und Länge des Standortes
wiedergibt. Der Schubkurvenkörper 2 hingegen ist so profiliert, daß er die Änderungen
der horizontalen Komponente der Feldstärke des erdmagnetischen Feldes bei Änderungen
der Breite und Länge wiedergibt. Der Schubkurvenkörper 3 schließlich ist so profiliert,
daß er die Änderungen der magnetischen Inklination des erdmagnetischen Feldes bei
Änderungen der Breite und Länge des Standortes wiedergibt. Die Schubkurvenkörper
1, 2 und 3 sind auf einer Welle 4 befestigt, die in Stirnwänden 19 und 20
drehbar gelagert ist und über ein Getriebe durch einen Motor 5 entsprechend der
geographischen Breite des Standortes angetrieben wird. Jeder der drei Schubkurvenkörper
wird durch einen im Lagerkörper 7 schwenkbar gelagerten Hebel 6
abgetastet.
Die drei Lagerkörper 7 sind durch Stangen8 starr miteinander verbunden und durch
eine Schraubspindel 10 verstellbar, deren Anstriebsmotor 11 entsprechend der geographischen
Länge des Standortes angetrieben wird. Durch diesen Motor werden daher die Tasthebel
6 parallel zur Achse der Schubkurvenkörper verschoben, wenn sich die geographische
Länge des Standortes ändert. Der am Ende eines jeden Hebels 6 vorgesehene Taster
liegt an einem der Schubkurvenkörper an, während das andere Ende eines jeden Hebels
einen Schleifkontakt 12, 13 oder 14 trägt, der vom Hebel elektrisch isoliert ist
und auf der Wicklung eines Potentiometers gleitet. Unter dem Einfuß schwacher Federn
21, 22 und 23, die an den Lagerkörpern der Hebel verankert sind, suchen sich
diese Hebel im Gegenuhrzeigersinn zu verschwenken, so daß sie ihre Fühler in Anlage
an den Schubkurvenkörpern halten. Jeder Potentiometerwiderstand ist derart gekrümmt,
daß er sich der bogenförmigen Bahn seines Schleifkontaktes anpaßt, die dieser bei
der Verschwenkung des Hebels beim Abtasten der Schubkurve zurücklegt. Die am Potentiometer
15 vom Schleifkontakt abgegriffene Spannung ändert sich daher in Abhängigkeit von
der durch den Einstellwinkel des Schubkurvenkörpers 1 wiedergegebenen geographischen
Breite und in Abhängigkeit von der durch axiale Einstellung des Schubkurvenkörpers
1
wiedergegebenen geographischen Länge. In entsprechender Weise greifen die
Schleifkontakte der Potentiometer 16 und 17 Spannungen ab, die als
Funktionen der geographischen Breite und Länge die waagerechte Komponente der Feldstärke
und die Inklination des erdmagnetischen Feldes wiedergeben. Dabei können diese Spannungen
den absoluten Werten dieser Größe verhältnisgleich sein. Sie können aber auch dem
Maß verhältnisgleich sein, um welches die absoluten Werte von bestimmten, willkürlich
festgelegten Durchschnittswerten abweichen.
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Die -Schubkurvenkörper haben eine nahezu zylindrische Gestalt, wobei
ihre axiale Abmessung der bei dem nachgeahmten Fluge in Betracht kommenden Änderung
der geographischen Länge entsprechen muß. Die Schubkurvenkörper müssen also so lang
bemessen sein, daß die Tasthebel bei dem nachzuahmenden Fluge an den Stirnseiten
der Körper nicht von diesen abgleiten.
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Die Einstellmotoren 5 und 9 (Fig. 1) für die geographische
Breite und die geographische Länge können in beliebiger Weise gesteuert werden.
Es ist eine Rechenschaltung vorgeschlagen worden, bei der die Nord-Süd-Komponente
und die Ost-West-Komponente der Geschwindigkeit des nachgeahmten Fluges in Gestalt
elektrischer Spannungen gebildet werden, wobei man diese Komponenten dazu verwenden
kann, um unmittelbar Stellmotoren zu erregen, deren Einstellung dann der geographischen
Breite und Länge des Standortes entspricht. Wenn indessen die bei dem nachzuahmenden
Flug zu berührende Standorte zu weit auseinanderliegen und zu große Breitenunterschiede
aufweisen, dann kann es erforderlich werden, daß die Erregung des für die Einstellung
der geographischen Länge vorgesehenen Motors 9 entsprechend der Sekante der Breite
abgeändert wird. In dieser Weise lassen sich die Änderungen der geographischen Länge,
die durch Änderungen der Breite bedingt sind, maßstabgetreu wiedergeben.
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Bei den meisten neuzeitlichen Flugsimulatoren gelangt ein elektrisches
Rechengerät zur Verwendung, das die verschiedenen zu errechnenden Größen, die kennzeichnend
für das Verhalten des Flugzeuges sind, durch die Winkelstellung je einer Welle wiedergibt.
Dies gilt auch für das Azimut ip oder die Kursrichtung des Flugzeuges.
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In Fig. 2 ist ein elektrisches Getriebe wiedergegeben, das dem Zweck
dient, aus diesem Azimut die jeweilige Kompaßanzeige abzuleiten. Hierfür ist zunächst
die magnetische Abweichung des erdmagnetischen Feldes zu berücksichtigen und eine
Größe abzuleiten, die nachstehend als »magnetischer Kurs« bezeichnet wird. Außerdem
müssen die Kompaßfehler in Betracht gezogen werden.
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Der Geber 201 (Fig. 2) erfährt durch die entsprechende Welle
des elektrischen Rechengeräts eine Winkeleinstellung, die dem Kurs des Flugzeuges
entspricht. Der Läufer des Gebers 201 wird von einem Wechselstromnetz erregt.
Die Azimutangaben werden dann in Gestalt elektrischer Spannungen einem Differentialempfänger
202 zugeleitet, dessen Läuferwicklungen mit einer Spannungsgröße erregt werden,
die durch den Winkel der magnetischen Abweichung für den bei dem nachgeahmten Flug
jeweils erreichten Standort bestimmt ist. Um den magnetischen Kurs zu erhalten,
muß bekanntlich eine westliche magnetische Abweichung dem Azimutwinkel der Flugzeuglängsachse
hinzuaddiert werden, während eine östliche
AbN`eichung von diesem
Azimutwinkel abgezogen wird. Der Schubkurvenkörper 1 wird durch einen Fühlhebel6
abgetastet und verstellt einen Schleifkontakt 12 auf einem Potentiometer
15 (Fig. 2). Das Potentiometer 15 ist in der Mitte geerdet und an
seinen Enden an eine positive und negative Spannung angeschlossen, die vom Netz
des üblichen Rechengeräts geliefert wird. Bei Verstellung des Schleifkontaktes
12 von der mittleren Anzapfstelle aus in der einen Richtung wird von dem
Potentiometer eine die westliche Abweichung darstellende positive Spannung abgegriffen,
während eine Verschiebung des Schleifkontaktes in der anderen Richtung zum Abgreifen
einer negativen Spannung führt, die eine östliche Abweichung darstellt. Die durch
den Schleifkontakt 12 abgegriffene Spannung wird nun einem Stellmotor-Regelkreis
zugeführt, der aus einem Verstärker 210, einem in der Mitte angezapften Potentiometer
220 und einem Servomotor 209 besteht. Dieser Servomotor
209 läßt die Welle 215 jeweils bis in eine Winkellage laufen, deren
von einer Ausgangsstellung aus gerechneter Winkel der Größe der dem Verstärker 210
zugeführten Spannung verhältnisgleich ist. Die Welle 215 stellt nun den Läufer
des Differentialempfängers 202 ein, und zwar auf einen Winkel, welcher der
jeweiligen magnetischen Abweichung entspricht. Infolgedessen wird in der Läuferwicklung
des Differentialempfängers 202 eine Spannung induziert, die der Summe des
Azimuts der Flugzeuglängsachse und der magnetischen Abweichung und somit dem magnetischen
Kurs entspricht. Diese Spannung wird dann einem üblichen Stellmotorsystem zugeführt,
das aus einem Empfänger 203, einem Verstärker 204 und einem Motor
205 besteht. Der Läufer des Empfängers 203 wird durch die Welle
216 des Stellmotors 205 jeweils bis in eine solche Winkellage gedreht,
in der die in der Läuferwicklung induzierte Wechselspannung verschwindet. Dann entspricht
die Winkelstellung des Läufers des Empfängers 203 dem magnetischen Kurs.
Die Welle 216 des Stellmotors 205
stellt ferner den Läufer eines Gebers
206 auf den magnetischen Kurs VJ. ein. Dabei wird die Wicklung dieses Läufers von
dem Wechselstromnetz aus erregt. Die in den Ständerwicklungen des Gebers
206 induzierten Ausgangsspannungen werden einem Differentialempfänger
207 zugeführt, dessen Läufer durch einen Stellmotor entsprechend dem »Kompaßfehler«
eingestellt wird. Die vom Differentialempfänger 207
gelieferten Ausgangsspannungen
stellen daher die Summe des magnetischen Kurses und des Kompaßfehlers dar und umfassen
eine Gruppe von »Kompaßanzeige«-Spannungen. Diese Spannungen werden einem Empfänger
208 zugeführt, dessen Läuferwelle nun mit der Attrappe des Magnetkompasses, mit
welcher der Flugsimulator ausgerüstet ist, gekuppelt ist. Die Rose dieser Attrappe
gibt die jeweils errechnete Kompaßanzeige wieder.
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Bei außergewöhnlichen, mit besonderer Heftigkeit durchgeführten Flugmanövern
kann es jedoch leicht vorkommen, daß die Kompaßanzeige völlig unbrauchbar wird.
Um auch diese Erscheinung nachzuahmen, lassen sich die Läuferwicklungen des Gebers
206 und der Empfänger 207, 208, die normalerweise von dem Wechselstromnetz
aus erregt werden, durch Öffnen von Relaiskontakten 211 von diesem Netz abschalten,
so daß die Empfänger durch den Geber nicht mehr gesteuert werden können. Die Relaiswicklung
212,
welche die Kontakte 211 steuert, wird unter Steuerung durch das
Rechengerät des Flugsimulators beispielsweise dann erregt, wenn die Längsneigung,
die Querneigung und/oder die Wendegeschwindigkeit eine bestimmte Grenze überschreiten.
Zu diesem Zweck kann das Relais 211, 212 entweder eine einzige Wicklung haben,
die auf mehrere Meßwerte anspricht, oder es können mehrere Relais vorgesehen sein,
deren Kontakte dann mit den Kontakten 211 in Reihe geschaltet sind. Die Relaiswicklungen,
die ihre Ruhekontakte öffnen können, lassen sich an Potentiometer anschließen, die
im Einklang mit der Längsneigung, der Querneigung oder der Wendegeschwindigkeit
verstellbar sind. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Relais an die Ausgangsklemmen
elektronischer Integratoren, am besten über Pufferschaltungen, anzuschließen, wobei
diese Integratoren Ausgangsspannungen liefern, die den betreffenden nachzuahmenden
Meßgrößen entsprechen. Bei Überschreiten eines bestimmten Wertes wird dadurch die
Attrappe des Magnetkompasses ausgeschaltet. Werden zur Darstellung der betreffenden
Meßgrößen Stellmotoren verwendet, die diese Größen durch die Winkelstellung ihrer
Wellen wiedergeben, so sind die Relais entbehrlich; denn dann können die Kontakte
wie die Kontakte 211 durch Nocken geschaltet werden, die von den Stellmotorwellen
gedreht werden.
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In Fig.3 ist das Schaltschema einer Analogie-Rechenschaltung wiedergegeben,
mit deren Hilfe fortlaufend der Kompaßfehler in Abhängigkeit von dem Flugzustand
errechnet wird. Er setzt sich aus verschiedenen Fehlergrößen zusammen, die in einem
Summierverstärker 301 addiert werden. Die Summe der Einzelfehler E, erscheint
als Spannung am Ausgang des Verstärkers 301. Diese Größe wird dann als Drehwinkel
einer Welle dargestellt, und zwar mit Hilfe eines Nachlaufregelkreises, bestehend
aus einem Addierverstärker 301, einem Magnetverstärker 302,
einem Motor
303 und einem Nachlaufpotentiometer 304, dessen Schleifkontakt durch die
Welle 217 des Stellmotors 303 verstellbar ist. Das Potentiometer 304 ist
in der Mitte angezapft und geerdet, und seine Enden liegen an der positiven und
der negativen Klemme einer Spannungsquelle an. Das Nachlaufsystem muß in beiden
Richtungen wirken können, weil der Gesamtfehler des Kompasses eine westliche oder
eine östliche Fehlanweisung haben kann, also zum magnetischen Kurs addiert oder
von ihm subtrahiert werden muß, um die Kompaßanzeige zu erhalten. Im Eingang des
--Addierverstärkers 301
(Fig. 3) liegen sechs Addierwiderstände 305, 306,
307, 308, 309 und 310. Am Widerstand 305 liegt eine Spannung Esc, die eine Funktion
des beim nachgeahmten Flug auftretenden Azimus Vf und der waagerechten Komponente
der magnetischen Feldstärke bei dem jeweiligen Standort des Flugzeuges ist. Am Verstärker
301 liegt über einen Widerstand 306 eine Spannung (EI), die den »Nullmarkenfehler«
wiedergibt. Dieser Fehler ist für alle Ablesungen gleichgroß. Ferner liegt am Verstärker
301 über einen Widerstand 307 eine Spannung (EQ), die dem nachgeahmten Quadrantenfehler
entspricht und die sich mit dem Kurs des Flugzeuges beim nachgeahmten Fluge ändert.
Am Widerstand 308 liegt eine Spannung (Ent), die den Norddrehfehler des Kompasses
nachahmt. Diese Größe ändert sich mit dem Inklinationswinkel der Feldlinien des
erdmagnetischen Feldes an dem betreffenden Standort beim nachgeahmten Fluge, ferner
mit dem Querneigungswinkel
des Flugzeuges und mit dem Gierwinkel
sowie mit dem magnetischen Kurs. Über den Widerstand 309 ist eine Spannung (Eq)
angelegt, die den Beschleunigungsfehler des Kompasses darstellt. Dieser Fehler ändert
sich mit der Inklination des erdmagnetischen Feldes bei dem jeweiligen Standort
des Flugzeuges, mit der jeweiligen Neigung des Scheinlotes zur Senkrechten und mit
dem magnetischen Kurs des Flugzeuges. Ferner ist an den Verstärker 301 über den
Widerstand 310 eine Ausgleichspannung (E,) angelegt, die den im Verstärker 301 addierten
Gesamtkompaßfehler darstellt und die anderen Eingangsspannungen des Verstärkers
ausgleicht, damit der Motor 303 und die Welle 217 jeweils bis in die Winkelstellung
laufen, die den gesamten Kornpaßfehler darstellt.
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Der »Nullmarkenfehler« des Kompasses ist der Winkel, den die Nullmarke
mit der Längsachse des Flugzeuges bildet und der bei jedem Flugzeug konstant ist.
Der Fehler kann westlich oder östlich liegen, muß also zur Bestimmung der Kompaßanzeige
zum magnetischen Kurs hinzugefügt oder von ihm abgezogen werden. Der Nullmarkenfehler
kann dadurch nachgeahmt werden, daß der Fluglehrer an einem Potentiometer 311, das
in der Mitte angezapft ist und an dessen Enden eine positive bzw. negative Spannung
liegt, einen Gleitkontakt 312 einstellt. Das Maß und die Richtung der Verstellung
des Gleitkontaktes 312 bestimmen den Betrag und das Vorzeichen des unveränderlichen
Nullmarkenfehlers, der in Gestalt einer Spannung über den Addierwiderstand 306 an
den Verstärker 301 angelegt wird.
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Der als »Halbkreis-Abweichung«bezeichnete Fehler der Kompaßanzeige
ist der Fehler, der durch eine Dauermagnetisierung des Flugzeuges verursacht wird.
Dieser permanente Magnetismus verändert im Bereich des Kompasses das erdmagnetische
Feld, so daß sich die Kompaßnadel nicht zum erdmagnetischen Meridian ausrichtet,
sondern durch das Zusatzfeld eine Fehlweisung erfährt. Die Wirkung des permanenten
Magnetismus des Flugzeuges auf das erdmagnetische Feld stellt eine Funktion des
magnetischen Kurses dar. Dieser Fehler ändert sich mit gleichbleibender Phasenverschiebung
mit dem Kurs und verläuft bei einem vollkreisigen Flug etwa in einer Sinuslinie.
Eine den Halbkreisfehler nachahmende Spannung Es, läßt sich mit großer Annäherung
durch die Gleichung
errechnen. In dieser Gleichung bedeutet Vfm = den nachgeahmten magnetischen Kurs
des Fahrzeuges, x1 = den Phasenverschiebungswinkel des Fehlers, der konstant ist
und durch die permanentmagnetischen Eigenschaften des Fahrzeuges bedingt ist, Ixy
=die horizontale Komponente der erdmagnetischen Feldstärke am Standort, und
K =eine Konstante, die den Höchstwert des nachzuahmenden Halbkreisfehlers darstellt.
Durch die Analogie-Rechenschaltung (Fig. 3) wird die Gleichung (1) zur annähernden
Ermittlung des Halbkreisfehlers laufend aufgelöst. Der Höchstwert K des Halbkreisfehlers
wird durch die Ausgangsspannung von Potentiometer 315 und 316 dargestellt und wird
an ihren manuell verstellbaren Gleitkontakten 317 und 318 abgenommen. Diese Potentiometer
werden durch positive und negative Bezugsspannungen erregt, so daß das Vorzeichen
der Komponente des die nachgeahmten Halbkreisfehler entweder eine westliche oder
eine östliche (positive oder negative) Abweichung bedeuten kann. Die Gleitkontakte
318 und 317 dieser Potentiometer sind mechanisch miteinander gekuppelt, so daß die
von den Gleitkontakten der Potentiometer 315 und 316 abgegriffenen Ausgangsspannungen
gleichzeitig auf gleiche Werte entgegengesetzten Vorzeichens eingestellt werden
können, die den Höchstwert des Halbkreisfehlers K der Gleichung (1) darstellen.
Diese positiven und negativen, den Wert K darstellenden Spannungen werden dazu benutzt,
die Wicklungen eines nach einer Sinusfunktion gewickelten Potentiometers oder Auflösers
319 zu erregen. Der Gleitkontakt 320 dieses Auflösers 319 erfährt seine Einstellung
entsprechend der Summe des magnetischen Kurses Y'. und des Phasenwinkels des Halbkreisfehlers
x1. Diese Winkelstellung der Welle läßt sich in üblicher Weise von einer Welle 216
ableiten. Diese Welle läßt sich als eine Eingangswelle des Rechengerätes auffassen,
die den Winkel Vfm mit einer gleichbleibenden Winkelverstellung von x1 wiedergibt.
-Der Gleitkontakt 320 gibt den momentanen Wert von K1 sin (W", + x1) wieder. Es
handelt sich dabei um den Zähler des auf der rechten Seite der Gleichung (1) stehenden
Bruches. Die diesen Wert darstellende Spannung wird einem Verstärker 322 über einen
Widerstand 321 zugeführt. Die Division dieser Spannung durch einen Wert, der als
Eingangsgröße der Rechenschaltung den Wert Ixy darstellt, wird nun dadurch herbeigeführt,
daß ein Multiplizierpotentiometer 16 in einen Rückführkreis eingeschaltet ist, der
von dem Ausgang des Verstärkers 322 zu dessen Eingang über den Widerstand 324 führt.
Bei diesem Potentiometer 16 (Fig. 1 und Fig. 3) ist der Gleitkontakt 13 (Fig. 3)
jeweils in Abhängigkeit von der am Standort herrschenden horizontalen Komponente
der erdmagnetischen Feldstärke Ixy eingestellt. Die Ausgangsspannung des Rechenverstärkers
322 stellt demgemäß die rechte Seite der Gleichung (1) dar. Sie wird einem Addierwiderstand
306 zugeführt.
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Der Viertelkreisablenkfehler wird dadurch hervorgerufen, daß das erdmagnetische
Feld in den Weicheisenteilen des Flugzeuges einen Magnetismus induziert, der das
erdmagnetische Feld ablenkt. Die Kompaßnadel stellt sich daher nicht mehr auf den
Meridian des erdmagnetischen Feldes, sondernvielmehr auf die Richtung der Feldlinien
des abgelenkten Feldes ein. Der Viertelkreisablenkfehler läßt sich mit einer ausreichenden
Genauigkeit durch die Gleichung Eq =@= K sin 2 (Vfm + (x2)
(2)
ermitteln, worin 'F", = den nachgeahmten magnetischen Kurs des
Fahrzeuges, x2 = einen konstanten Phasenwinkel, der durch die Weicheiseneigenschaften
des nachgeahmten Fahrzeuges bestimmt wird, und K = eine Konstante, die den Höchstwert
des nachzuahmenden Viertelkreisablenkfehlers darstellt, bedeuten.
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Diese Gleichung wird durch eine Analogie-Rechenschaltung (Fig. 3)
fortlaufend gelöst. Der HöchstwertK des Viertelkreisablenkfehlers wird durch die
Ausgangsspannung von Potentiometern 330 und 331 wiedergegeben,
die
an Schleifkontakten 332 und 333 abgegriffen wird. Erregt werden diese Potentiometer
durch positive und negative Bezugsspannungen derart, daB der Quadrantenablenkfehler
entweder als eine westliche oder eine östliche Ablenkung, d. h. positiv oder negativ
erscheint. Die Schleifkontakte 332 und 333 sind miteinander gekuppelt, so daß die
von den Potentiometern 330 und 331 gelieferten Ausgangsspannungen gleichzeitig derart
einstellbar sind, daß sie gleiche Spannungen entgegengesetzten Vorzeichens darstellen,
die den Höchstwert K des Viertelkreisablenkfehlers wiedergeben. Die positiven und
negativen Spannungen der Größe K werden einem gebräuchlichen Sinusfunktionspotentiorneter
334 zugeführt, das so entworfen ist, daß es mit einem Freiheitsgrad von 360° arbeitet.
Der Schleifer 335 des Potentiometers 334 wird jeweils auf einen Winkel eingestellt,
der doppelt so groß ist wie die Summe des -magnetischen Kurses und des Phasenwinkels
des Quadrantenfehlers a2. Diese Einstellung kann man in gebräuchlicher Weise von
einer Welle 16 ableiten,-die als Eingangswelle der Rechenschaltung die Größe P",,
mit einer gleichbleibenden Winkelabweichung von a2 wiedergibt, und zwar mittels
eines Stufengetriebes. Die vom Schleifkontakt 335 abgegriffene Spannung stellt den
momentanen Wert des Produktes KZ sin 2 (Vfnt + 4
dar, also des Wertes, der
auf der rechten Seite der Gleichung (2) steht. Diese Spannung wird dem Addierwiderstand
307 zugeführt.
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Der Norddrehfehler tritt auf bei Querneigungen des Flugzeuges und
bewirkt eine Kippung der Kompaßrose oder der Kompaßnadel. Solange das Fehrzeug keine
Querneigung einnimmt, stellt sich die Kompaßnadel auf die waagerechte Komponente
des erdmagnetischen Feldes ein, weil sie in der durch die waagerechte und durch
die senkrechte Komponente gebildeten Ebene keine Bewegungsfreiheit besitzt. Wenn
das Flugzeug eine Querneigung einnimmt, wird die Kompaßnadel auch von der lotrechten
Komponente der erdmagnetischen Feldstärke beeinflußt, und sie sucht sich dann auf
die wahre Richtung der Feldlinien einzustellen, woraus sich ein Fehler ergibt. Dieser
Fehler fällt am meisten bei nördlichen und südlichen Kursen ins Gewicht. Für eine
gegebene Querneigung läßt sich der Norddrehfehler mit ausreichender Genauigkeit
aus der folgenden Gleichung errechnen: 1Ent =^-- tg-1 [tg b # sin (0 -?- a)] cos
11'm , (3)
worin Ew = den nachzuahmenden Norddrehfehler, il'. = den
nachgeahmten magnetischen Kurs des Flugzeuges, b = die erdmagnetische Inklination
an dem jeweiligen Standort, fi =den nachgeahmten Querneigungswinkel des Fahrzeuges,
und x = den nachgeahmten Scheinlotwinkel bedeutet. Durch eine Analogie-Rechenschaltung
(Fig. 3) wird die Gleichung (3) fortlaufend gelöst. Der Tangens der magnetischen
Inklination (tg b) wird für jeden bei dem nachgeahmten Fluge erreichten Standort
durch eine Spannung wiedergegeben, die von einem in der Mitte angezapften Potentiometer
17 mittels eines Schleifkontaktes 14 (Fig. 1 und 3) abgegriffen wird. Das
in der Mitte angezapfte Potentiometer 17 wird an seinen Enden durch eine positive
und negative Bezugsspannung erregt, so daß der Wert von tg b ein verschiedenes Vorzeichen
hat, je nachdem, ob der Standort des Flugzeuges nördliche oder südliche Breite aufweist.
Die vom Schleifkontakt 14 abgegriffene und tg b darstellende Spannung wird
über einen Widerstand 342 an einen Pufferverstärker 343 angelegt. Die Ausgangsgröße
dieses Verstärkers wird einem die Phase umkehrenden Verstärker 347 über einen Widerstand
345 zugeführt. Die beiden Verstärker 343 und 347 haben Rückführkreise, die über
Widerstände 344 und 346 verlaufen. Die positiven und negativen Ausgangsspannungen
der Verstärker 343 und 346 werden an die Wicklungen eines Potentiometers 318 angelegt,
bei dem es sich um ein einer Sinusfunktion entsprechend gewickeltes Potentiometer
handelt. Der Gleitkontakt 349 erfährt seine Einstellung durch eine Welle 340 entsprechend
der Ausgangsgröße eines üblichen Addiergerätes 341. Dieses Addiergerät
341 hat zwei Eingangswellen, deren eine den nachgeahmten Querneigungswinkel
0 wiedergibt, während die andere Welle den Scheinlotwinkel a darstellt. Jede dieser
Größen stellt eine Eingangsgröße für die Analogie-Rechenschaltung dar.
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Die durch den Schleifkontakt 349 abgegriffene Spannung stellt das
Produkt tg b - sin (0 + a) dar und wird an einen Pufferverstärker 354 und
einen Phasenumkehrverstärker 355 ebenso angelegt, wie es mit Bezug auf die Verstärker
343 und 346 beschrieben wurde. Die Widerstände 350, 351, 352 und 353 haben dieselbe
Wirkungsweise und sind ebenso geschaltet wie die entsprechenden Widerstände 342,
344, 345 und 346. Die Ausgangsspannungen der Verstärker 354 und 355 dienen dem Zweck,
ein Potentiometer 356 zu erregen, das in üblicher Weise der Kosinusfunktion entsprechend
gewickelt ist und dessen Schleifkontakt 357 seine Einstellung durch eine Welle 216
(Fig. 2) entsprechend dem magnetischen KursV'm erfährt, der eine Eingangsgröße der
Rechenschaltung darstellt. Die durch den Schleifkontakt abgegriffene Spannung stellt
das Produkt tg b - sln (0 + !X) ' cos Pm dar. Um nun eine Welle in eine Winkelstellung
zu drehen, deren Winkel dieser Spannung entspricht, wird diese einem üblichen Nachlaufregelkreis
über einen Widerstand 358 zugeführt. In diesem Regelkreis wird die Eingangsspannung
des Verstärkers 363 verstärkt und erfährt in einem Magnetverstärker 364 eine zusätzliche
Verstärkung. Alsdann wird mit der verstärkten Spannung ein Motor 365 in einer Richtung
in Gang gesetzt, die dem Vorzeichen der Eingangsspannung entspricht. Dieser Motor
treibt eine Welle 366, die ihrerseits einen Schleifkontakt 362 eines Potentiometers
361 verstellt. Dieses Potentiometer, das in der Mitte angezapft und entsprechend
der Tangensfunktion gewickelt ist, stellt das Nachlaufpotentiometer dar, das an
seinen Klemmen mit einer positiven und negativen Bezugsspannung gespeist wird. Die
durch den Schleifkontakt 362 vom Potentiometer 361 abgegriffene Nachlaufspannung
wird dem Eingang des Verstärkers 363 über den Widerstand 360 mit einem solchen Vorzeichen
zugeführt, daß dadurch die Eingangsspannung aufgehoben wird, die das Produkt tg
b - sin (0 + a) - cos F",
darstellt. Der Motor 365 wird so lange erregt,
bis die vom Schleifkontakt 362 abgegriffene Spannung die dem Eingang des Verstärkers
363 zugeführte Gesamtspannung zu Null werden läßt. Da die rechte Seite der Gleichung
(3) den Ausdruck tg-1 (cotangens) enthält,
Ist es erforderlich,
den Winkel zu bestimmen, dessen Tangens dem Produkt tgb-sin(0+a)-cosm entspricht.
Zu diesem Zweck wird das Nachlaufpotentiometer 361 entsprechend der Tangentialfunktion
gewickelt. Infolgedessen entspricht der Einstellwinkel der Welle 366 der Lösung
der obigen Gleichung (3). Ent - tg-1 [tg g . sin (c0 -i- ,_-#)] - cos zlfm
.
Um eine Spannung zu haben, die den Norddrehfehler (Ent) darstellt, treibt
die Welle 366 auch einen Schleifkontakt 368 eines Potentiometers an, das linear
gewickelt und in der Mitte angezapft ist und an seinen beiden Klemmen mit einer
positiven und negativen Bezugsspannung erregt wird. Am Schleifkontakt 368 liegt
dann eine Spannung von der Größe E"t, die an einen Addierverstärker 308 angelegt
wird.
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Der Beschleunigungsfehler eines Magnetkompasses entsteht durch Kippen
der Kompaßrose oder der Kompaßnadel. Die Kompaßrose oder die Nadel ist zwar derart
gelagert, daß sie nur auf die horizontale Komponente der Feldstärke des erdmagnetischen
Feldes anspricht, doch ergibt sich ein Einstellfehler, wenn die Rose oder Nadel
durch andere Einflüsse, z. B. eine Beschleunigung, dazu veranlaßt wird, sich auf
die resultierende Richtung des erdmagnetischen Feldes einzustellen. Am größten ist
der Einfluß des durch die Beschleunigung bewirkten Fehlers bei einem Nordkurs oder
Südkurs. Für eine gegebene Neigung des Scheinlotes gegenüber dem wahren Lot infolge
einer Beschleunigung läßt sich der Beschleunigungsfehler des Magnetkompasses durch
die folgende Gleichung errechnen EA = tg-1 (tg 8 - sin Z) - sin zWm (4) In dieser
Gleichung bedeutet: EA = den nachzuahmenden Beschleunigungsfehler, '11m =
den nachgeahmten magnetischen Kurs des Fahrzeuges, b = die magnetische Inklination
an dem jeweiligen Standort, Z =den Winkel, den das Scheinlot mit dem wahren Lot
gemessen in einer zur Längsachse des Fahrzeuges parallelen Ebene bildet.
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In Fig. 3 ist eine Rechenschaltung gezeigt, durch welche die Gleichung
(4) laufend gelöst werden kann. Ist der Winkel Z sehr klein, dann läßt er sich hinreichend
genau dadurch errechnen, daß die Gleichung Z = `tx° verwendet wird.
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Asa In dieser Gleichung bedeutet: Axa = die Beschleunigung
des Fahrzeuges in seiner Längsrichtung und AZa = die Beschleunigung des Fahrzeuges
in seiner Hochachse (Z-Achse).
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Eine Spannung, die den Wert -Axa wiedergibt, wird über einen Widerstand
375 an einen Verstärker 373 angelegt. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 373 dient
zum Erregen eines Motors 372, der eine Welle 380 antreibt. Diese Welle
380 verstellt einen Schleifkontakt 379 eines Potentiometers 378, das in der
Mitte angezapft und mit seinen Klemmen an Spannungen +A. und -Aza angelegt ist.
Die vom Schleifkontakt 379 abgegriffene Spannung stellt A,za dar und wird einem
Verstärker 373 mit einem solchen Vorzeichen zugeführt, daß dadurch die die Spannung
AZa dargestellte Spannung aufgehoben wird. Hat der Motor 372 die Welle 380 und den
Schleifkontakt 379 bis in eine solche Lage gebracht, in der die am Eingang des Verstärkers
373 liegende Gesamtspannung Null wird, dann bleibt der Motor 372 stehen, und dann
stellt die Winkellage der Welle 380 den Winkel Z, also das Verhältnis
dar. Die Welle 380 verstellt den Schleifkontakt 371 eines Potentiometers 370, das
in üblicher Weise einer Sinusfunktion entsprechend gewickelt ist und an seinen Klemmen
durch die Ausgangsspannungen der Verstärker 343 und 347 erregt wird. Diese Spannungen
stellen die Größen +tg ä und -tg b dar. Die Rechenschaltung bewirkt, daß die durch
den Schleifkontakt 371 abgegriffene Spannung das Produkt tg 8 - sin Z darstellt.
Diese Spannung wird einem Pufferverstärker 385 über einen Widerstand 381 zugeführt.
Die Ausgangsspannung des Pufferverstärkers 385 wird einem der Phasenumkehr dienenden
Verstärker 386 über einen Widerstand 383 zugeführt. Die beiden Verstärker 385 und
386 sind mit einem Rückkoppelkreis ausgerüstet, der über Widerstände 382 und 384
verläuft. Die positiven und negativen Ausgangsspannungen der Verstärker 385 und
386 werden an die Wicklung eines Potentiometers 387 angelegt, das entsprechend einer
Sinusfunktion gewickelt ist. Der Schleifkontakt 388 dieses Potentiometers 387 erfährt
seine Einstellung durch die Welle 216 (Fig. 2), die auf den magnetischen Kurs W.
eingestellt ist. Die am Schleifkontakt 388 erscheinende Spannung stellt daher das
Produkt tg b - sin Z - sin IFm dar. Um nun eine Welle in eine Winkelstellung zu
bringen, die dieser Spannung entspricht, wird diese Spannung dem Regelkreis eines
üblichen Nachlaufmotors über einen Widerstand 389 zugeführt. Dieser Regelkreis enthält
Schaltmittel zum Verstärken der Eingangsspannung in einem Verstärker 390 und dann
einen weiteren Verstärker in Gestalt eines Magnetverstärkers 391. Die Ausgangsspannung
speist einen Motor 392, der in einer vom Vorzeichen der Eingangsspannung des Verstärkers
390 abhängenden Drehrichtung läuft. Er treibt eine Welle 393 an, die ihrerseits
einen Schleifkontakt 395 eines Potentiometers 394 einstellt. Dieses Potentiometer
ist in der Mitte angezapft und entsprechend einer Tangensfunktion gewickelt; es
wird an seinen Klemmen durch positive und negative Bezugsspannungen erregt. Die
vom Schleifkontakt 395 abgegriffene Spannung des Potentiometers 394 wird
dem Eingang des Verstärkers 390 über einen Widerstand 397 mit einem solchen
Vorzeichen zugeführt, daß dadurch die Eingangsspannung aufgehoben wird, die das
Produkt tg8 -sinZ-sinWin darstellt. Infolgedessen läuft der Motor 392 so lange,
bis die vom Schleifkontakt 395 abgegriffene Spannung die Gesamteingangsspannung
des Verstärkers zu Null werden läßt. Da nun die rechte Seite der Gleichung (4) den
Wert tg-1 (cotangens) enthält, ist es erforderlich,
daß der Winkel
bestimmt wird, dessen Tangens dem Produkt tg - sin Z - sin Vlm. entspricht. Dies
wird dadurch erreicht, daß das Nachlaufpotentiometer 394 entsprechend einer Tangensfunktion
gewickelt wird. Infolgedessen stellt die Winkellage der Welle 393 die Lösung der
Gleichung (4) dar.
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Es ist nun erwünscht, eine Spannung zu bilden, die den Beschleunigungsfehler
E" darstellt. Aus diesem Grunde stellt die Welle 393 des Motors 392 den Schleifkontakt
eines Potentiometers 398 ein, das linear gewickelt und in der Mitte angezapft ist
und mit seinen Klemmen an positiven und negativen Bezugsspannungen anliegt. Der
Schleifkontakt dieses Potentiometers greift daher eine Spannung ab, die dem Wert
Et entspricht und einem Addierverstärker 309 zugeführt wird.
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Durch die Rechenschaltung wird daher jeder der drei Komponenten nachgeahmt,
die zusammen den Gesamtkompaßfehler bilden und gemeinsam dem Eingang eines Addierverstärkers
301 zugeführt werden.