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Fliegerschulungsgerät zur Nachahmung der Wirkung von Störklappen auf
die aerodynamischen Strömungsverhältnisse Die Erfindung bezieht sich auf ein Bodenschulungsgerät,
mit dem die Einwirkung von Störklappen auf die aerodynamischen Strömungsverhältnisse
von Flugzeugen nachgeahmt werden kann.
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An den Tragflächen von Flugzeugen sind meist Störklappen angeordnet,
die den aerodynamischen Auftrieb der Tragfläche durch eine Veränderung von deren
Oberfläche stören sollen. Diese Klappen sind im allgemeinen als Flügel ausgebildet
und werden so bewegt, daß sie einen Winkel mit der oberen Ebene der Tragfläche bilden,
durch die Luftströmung abgelenkt und der Auftrieb der Tragfläche vermindert wird.
Wenn die Störklappe an einer einzigen Tragfläche hochgestellt wird, führt das Flugzeug
wegen der Auftriebsdifferenz zwischen den Tragflügeln eine Drehbewegung um die Längsachse
(Querneigung) aus. Sind die Störklappen an beiden Tragflügeln hochgestellt, so wird
die Vorwärtsgeschwindigkeit des Flugzeuges vermindert und das Flugzeug in der Luft
gebremst. Bei hohen Geschwindigkeiten hat der gegen die Störklappenfläche wirkende
Luftdruck das Bestreben, die Störklappen in ihre Ruhestellung zurückzudrücken, wobei
in den meisten Flugzeugen keine kraftschlüssige Verriegelungseinrichtung vorgesehen
ist, die die Störklappen in ihrer ausgefahrenen Stellung hält. Übersteigt demnach
der aerodynamische Druck gegen die Flächen den hydraulichen Druck, der das Bestreben
hat, die Flächen in ihrer ausgefahrenen Lage zu halten, dann wird die Störklappe
durch den Luftdruck teilweise in ihre Ruhestellung zurückgedrückt.
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Es sind Fliegerschulungsgeräte zur Nachahmung der aerodynamischen
Strömungsverhältnisse durch Störklappen bekannt. Bei diesen bekannten Fliegerschulungsgeräten
wird jedoch der für den nachgeahmten Flug bedeutungsvolle Effekt des teilweisen
Niederdrückens der Störklappe durch den Luftdruck bei hohen Fluggeschwindigkeiten
nicht nachgeahmt.
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Die Erfindung hat sich daher zum Ziel gesetzt, ein Fliegerschulungsgerät
zu schaffen, bei dem dieser wichtigeEffektnachgeahmtwird. DasFliegerschulungsgerät
geht hierfür aus von einem Rechner zum Ableiten von Spannungen, deren Ansprechvermögen
der nachzuahmenden Machzahl und der nachzuahmenden Höhe proportional sind, sowie
von einem auf den Steuerknüppel des Flugschülers ansprechbaren Rechner und von einem
von der Geschwindigkeitsregelung abhängigen Rechner und kennzeichnet sich erfindungsgemäß
durch eine Servoeinrichtung mit einem Servoverstärker und einem Servomotor, dessen
Wellenstellung die Lage der nachgeahmten Störklappen wiedergibt, sowie durch ein
erstes Potentiometer, dessen Schleifarm mechanisch mit der Servomotorwelle verbunden
ist und eineder Wellenstellungproportionale Spannung abgreift, ferner durch ein
zweites Potentiometer, an dessen Wicklung die vom Rechner für Machzahl und Höhe
abgeleiteten und diesen Größen proportionalen Spannungen anliegen, wobei der Schleifarm
des Potentiometers mechanisch mit der Servomotorwelle und elektrisch mit dem Servoverstärker
verbunden ist, weiterhin durch eine Eingangsschaltung, die mit dem Steuerknüppel-Potentiometer,
dem Geschwindigkeitsregelungs-Potentiometer und dem Schleifarm des ersten Potentiometers
verbunden ist und die von diesen Vorrichtungen gelieferten Spannungen summiert,
und durch eine zwischen die Eingangsschaltung und den Servoverstärker eingeschaltete
Phasenwähl- und Begrenzungsschaltung, die nur Spannungen einer bestimmten Phase
zum Eingang des Servoverstärkers durchläßt und die am Servoverstärkereingang wirksam
werdenden Spannungen auf einen bestimmten Höchstwert begrenzt.
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Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung zeigt die Zeichnung.
Darin zeigt Fig. 1 einen schematischen Schaltplan des Fliegerschulungsgerätes; Flugsimuliereinrichtung,
Fig.2
eine schematische Darstellung der Phasenwähler- und Begrenzerschaltung, Fig. 3 ein
Diagramm mit den Ausgangseigenschaften der Schaltung von Fig. 2, Fig.4 eine Abwandlung
der Phasenwählschaltung von Fig. 2 und Fig. 5 ein Diagramm mit den Ausgangseigenschaften
der Schaltung von Fig. 4.
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Der Servomechanismus 10 weist einen Verstärker 12, einen Servomotor
14 und eine Welle 16 auf, die Potentiometer 18 und 20 mit mechanisch
mit der Welle 16 verbundenen Schleifarmen 22 und 24 und von einer getrennten Welle
erregten Widerstandswicklungen 26 und 28 hat. Die Rechner für Machzahl und Höhe
30 sind mit der Wicklung 26 des Potentiometers 18 durch einen Leiter 32 verbunden.
Bei Bewegung des Steuerknüppels und des Geschwindigkeitsregelungshebels durch den
Flugschüler wird eine entsprechende Spannung von den Potentiometern 34 und 36 erzeugt,
wobei jedes Potentiometer mit dem Eingang eines summierenden Verstärkers 38 durch
skalenbeständige Widerstände 40 und 42 verbunden sind. Die vom Potentiometer
20 abgeleitete Spannung ist über einen maßstabbestimmenden Widerstand 44 an den
Eingang des Verstärkers 38 angelegt. Das hydraulische System zur Inbetriebnahme
der nachzuahmenden Störklappenwirkung wird vom Flugschüler durch den Schalter
46 ausgelöst.
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Eine Phasenwähler- und Begrenzerschaltung 50 ist zwischen den handbetätigten
Schalter 46 und den Eingang des Servoverstärkers 12 (Fig. 1) geschaltet, wobei der
Schalter 46 normalerweise geschlossen ist. Will der Flugschüler die Störklappen
einsetzen, so betätigt er den Geschwindigkeitsregelungshebel oder den Steuerknüppel.
Hierdurch werden Spannungen von Potentiometern 34 oder 36 erzeugt, die über die
skalenbeständigen Widerstände 40 und 42, über den Verstärker 38, über
den Schalter 46 sowie über die Phasenwählschaltung 50 dem Eingang des Verstärkers
12 aufgeprägt werden, so daß die Motorwelle 16 eine Lage einnimmt,
die der Größe der abgeleiteten Spannungen entspricht, wobei die Stellung der Welle
dann der Lage der Störklappen entspricht. Das Potentiometer 20 gibt an den
Schleifarm 24 eine Rückmeldespannung ab, die an den skalenbeständigen Widerstand
44 des Verstärkers 38 rückgekoppelt wird, um die Eingangsspannung von den
Potentiometern 34 und 36 zu verringern, so daß die nutzbare, in den Verstärker 38
eingespeiste Größe Null wird und der Motor 14 in einer Lage angehalten wird, die
der Größe der abgeleiteten Spannungen entspricht. Die Spannung von Potentiometer
20 wird durch einen Leiter 52 denn aerodynamischen Rechner zugeleitet, um
die Anzeigeeinrichtungen zu betätigen sowie die Flugverhältnisse während des nachgeahmten
Flugverlaufs zu errechnen.
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Wächst die nachzuahmende Fluggeschwindigkeit, während die Flughöhe
in einem Bereich hoher Luftdichte liegt, dann gibt der Rechner 30 eine Spannung
ab, die der Windung 26 und dem Eingang des Verstärkers 12 zugeführt wird. Diese
Spannung ist so gerichtet und hat eine solche Größe, daß die Bewegungsrichtung der
Welle 16 umgekehrt und dadurch das Niederdrücken der Störklappen nachgeahmt wird.
Gleichzeitig gibt das Potentiometer 20 eine neue Rückmeldespannung ab, die so gerichtet
ist, daß sie beim Anliegen am Widerstand 44 die Bewegungsrichtung der Welle
16 umzukehren versucht. Da diese Spannung einen sehr hohen Wert annehmen kann, die
Rückstellkraft eines hydraulischen Systems jedoch in ihrer Kapazität begrenzt ist,
muß der Wert der Rückstellkraft vom Potentiometer 20 begrenzt werden.
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Die Phasenwähler- und Begrenzerschaltung (Fig. 2) gibt an ihren Ausgangskreis
Spannungen einer gewählten Phase in einer vorherbestimmten Größe ab, wie die im
Diagramm von Fig. 3 gezeigte Ausgangskennlinie darstellt. Bei einem Flugzeug hat
das hydraulische System keine Eigenschaften, die eine negative Phase darstellen
würde, und es kann daher dem Servomechanismus 10 in dem nachgeahmten System lediglich
eine positive Phase zugeführt werden. Eine Reihe von Richtimpedanzen oder Dioden
(Fig. 2) werden dafür verwendet, eine vorbestimmte Phase einer Gleichspannung zu
wählen und deren Amplitude auf einen Maximalwert zu begrenzen. Dieser Maximalwert
ist durch eine Bezugsspannung vorbestimmt und wird durch die Werte der in der Schaltung
verwendeten Spannungsteiler abgewandelt. Die Schaltung weist ein Paar von Dioden
54 und 56 auf, die so in Serie geschaltet sind, daß während der positiven Halbwelle
einer über einen Leiter 58 an ihrer Verbindungsstelle angelegten Bezugswechselspannung
die eine einen hohen Impedanzwert und die andere einen niedrigen Impedanzwert aufweist.
Die Schaltung sieht einen Eingangskreis 60 und eine Ausgangsschaltung mit einem
Rückkopplungsverstärker 62 vor, wobei diese beiden Schaltungen durch zwei parallel
geschaltete Spannungsteiler mit Widerständen 64, 66, 68 und 70 und mit Dioden 72
und 74 verbunden sind. Eine Außenklemme der in Reihe geschalteten Dioden ist jeweils
mit einem der Spannungsteiler verbunden. An den Eingang des Verstärkers 62 ist neben
der durch den Leiter 58 zugeführten Spannung eine gegenphasige Bezugsspannung über
ein Diodenpaar 76 und 78 und einen Eingangswiderstand 80 angelegt. Durch diese Bezugsspannung
soll die Wirkung der zuerst erwähnten Bezugsspannung hinsichtlich des Ausgangs der
Schaltung aufgehoben und durch die Dioden 76 und 78 die Verzerrung der Wellenform
nahe dem Schnittpunkt der Kennlinie infolge der Nichtlinearität der Dioden bei niedrigen
Spannungen verringert werden.
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Wenn die Eingangsspannung die gleiche Phase aufweist wie EBez, und
außerdem kleiner ist als
so ist während der positiven Halbwelle der Schaltpunkt A kraft- und formflüssiger
als der Schaltpunkt C, und die Diode 56 stellt wegen der sperrenden Vorspannung
durch die Bezugsspannung einen hohen Widerstand dar. Die Diode 74 bietet einem vom
Schaltungspunkt E zum Schaltungspunkt C fließenden Strom nur geringen Widerstand,
wobei die Widerstände 68 und 70 so gewählt sind, daß sie gegenüber dem Durchlaßwiderstand
der Diode 74 einen großen Widerstand aufweisen (der Durchlaßwiderstand für die Diode
74 ist der Widerstand, den die Diode einem vom Schaltpunkt E zum Schaltpunkt C fließenden
Strom bietet). Die Widerstände 68 und 70 haben darüber hinaus gegenüber der Sperrimpedanz
der Dioden einen geringen Widerstand. Während der positiven Halbwelle bietet die
Diode 56 einen großen Widerstand und die Diode 74 einen kleinen Widerstand, und
die Spannung EEn. liegt über den Widerstand 70 direkt am Eingang eines summierenden
Verstärkers an.
Die maximale Größe der Spannung, die am Eingang
des summierenden Verstärkers auftreten kann, entspricht der Form:
Angenommen, der Wert von EBez ist größer als dieser Wert während der positiven Halbwelle,
so hat die Diode 54 eine geringe Impedanz, und der Schaltungspunkt B liegt
auf dem gleichen Spannungspegel wie der Schaltungspunkt A und somit liegt
EBez über Widerstand 66 am Eingang eines Verstärkers an. Der Widerstand 80 und die
negative Bezugsspannung sind so gewählt, daß sie mit der am Schaltpunkt A anliegenden
übereinstimmt, wobei die Spannung jedoch entgegengesetzt gerichtet ist. Auf diese
Weise löschen sich die beiden Spannungen am Eingang des Verstärkers aus und erscheinen
nicht am Ausgang.
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Während der negativen Halbwelle ist die Wirkungsweise der Diode
54 und 72 die gleiche wie die bereits erläuterte Wirkungsweise der Dioden
74 und 56. Hierbei wird die Eingangsspannung direkt über die Widerstände 64 und
66 an den Eingang des Verstärkers 62 und die Spannung Es" über den Widerstand 70
an den Eingang des Verstärkers 62 angelegt. Wenn die Größe der Eingangsspannung
den Wert
während der positiven Halbwelle überschreitet, hat der Punkt E das Bestreben, ein
höheres Potential anzunehmen als der Schaltungspunkt C, die Diode 74 wird auf diese
Weise leitend und ist bestrebt, den Schaltpunkt C auf ein höheres Potential zu bringen
als den Schaltpunkt A. Auch die Diode 56 wird leitend, wenn das Potential bei C
höher ist als bei A, so daß der Schaltungspunkt C keine höhere Spannung aufweisen
kann als die Bezugsspannung. Es besteht zwischen der Eingangsspannungsquelle zum
Leiter 60 und der mit dem Leiter 58 verbundenen Bezugsspannungsquelle eine Erdverbindung,
so daß bei Leitfähigkeit der Diode 56 der Strom durch den Leiter 58 zur Erde zurückfließt
und nicht am Eingang des Verstärkers 62 in Erscheinung tritt. Auf diese Weise kann
keine Eingangsspannung, die größer ist als
an den Eingang des Verstärkers angelegt werden. Während der negativen Halbwelle
sind die Dioden 72 und 54 leitend, weil der Schaltpunkt B eine niedrigere Spannung
aufweist als der Schaltpunkt A. Die Dioden 72 und 54 bringen somit den Schaltpunkt
B lediglich auf den Spannungspegel von EBez, und zwar in der gleichen Weise, wie
ihn Schaltpunkt C während dieses Zyklus auf die positive Bezugsspannung erreicht
hat. Die Ausgangsspannung kann der Eingangsspannung dadurch gleichgemacht werden,
daß die Verstärkung des Verstärkers 62 den Wert 1 einnimmt, was man durch Einführung
des Wertes R68 + R70 in den Rückkopplungswiderstand 71 erreicht.
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Befindet sich die Eingangsspannung gegenüber der durch den Leiter
58 während der positiven Halbwelle zugeführten Bezugsspannung in Gegenphase, so
liegt der Schaltungspunkt E auf einem positiven Potential, wenn sich der Schaltungspunkt
A auf einem negativen Potential befindet. Unter diesen Umständen leitet die Diode
56 und bringt den Schaltungspunkt C so auf das gleiche Potential, wie es der Schaltungspunkt
A aufweist. Auch ist der Schaltungspunkt D positiv, wenn die Schaltungspunkte
A und B negativ sind, so daß die Diode 72 nicht leitet. Auf diese
Weise kann die Eingangsspannung keine Wirkung auf den Ausgang haben, wenn sie in
Phasenopposition zur Bezugsspannurig EBez steht.
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Die Kennlinie dieser Schaltung ist in Fig. 3 gezeigt. Dort ist die
gewählte Phase gemäß der Bezugsspannung gezeigt, und die Größe der Spannung ist
in der Beziehung der Widerstände der Spannungsteiler ausgedrückt.
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Sobald die Phasenwähler- und Begrenzerschaltung (Fig. 1) mit dem Schalter
46 verbunden ist, gibt sie Spannungen an den Eingang des Verstärkers 12 ab, deren
Größe durch die Bezugsspannung und deren Phase durch den Richtungssinn der Bezugsspannung
vorbestimmt ist.
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Bei der in Fig. 4 dargestellten Phasenwähler- und Begrenzerschaltung
werden beide Phasen dem Eingang des Rückkopplungsverstärkers 62a zugeführt und die
Größe der Ausgangsspannung auf das Verhältnis der verschiedenen Werte von Widerständen
in einer Spannungsteilerschaltung begrenzt. Der Schaltungsaufbau unterscheidet sich
von der in Fig. 2 gezeigten Anordnung dadurch, daß für eine jede Phase ein Netzwerk
vorgesehen ist, wobei für die verschiedenen Schaltungsparameter die in Fig.2 verwendeten
Bezugszeichen mit den Indizes a und b versehen wurden. Beide Phasen
werden an den Ausgang geführt, die Kennlinie mit den Ausgangseigenschaften (Fig.4)
zeigt die Fig. 5.
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Der Vorteil dieses Begrenzers gegenüber anderen abschneidenden Begrenzungseinrichtungen
besteht darin, daß die Ausgangswellenform ohne Rücksicht auf den Grad der Begrenzung
uriverzerrt ist. Diese Nichtverzerrung wird dadurch erreicht, daß während eines
jeden Halbzyklus beim Begrenzen die sinusförmige Bezugsspannung kontinuierlich von
der sinusförmigen Eingangsspannung subtrahiert wird, wodurch am Gitter eine Differenzspannung
erzeugt wird, die die gleiche Wellenform aufweist wie die Eingangsspannung.