DE1269914B - Anordnung zur Stabilisierung von Tragfluegelbooten - Google Patents

Anordnung zur Stabilisierung von Tragfluegelbooten

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DE1269914B
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Henry Reinhold Ask
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United Aircraft Corp
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    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63BSHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B1/00Hydrodynamic or hydrostatic features of hulls or of hydrofoils
    • B63B1/16Hydrodynamic or hydrostatic features of hulls or of hydrofoils deriving additional lift from hydrodynamic forces
    • B63B1/24Hydrodynamic or hydrostatic features of hulls or of hydrofoils deriving additional lift from hydrodynamic forces of hydrofoil type
    • B63B1/28Hydrodynamic or hydrostatic features of hulls or of hydrofoils deriving additional lift from hydrodynamic forces of hydrofoil type with movable hydrofoils
    • B63B1/285Hydrodynamic or hydrostatic features of hulls or of hydrofoils deriving additional lift from hydrodynamic forces of hydrofoil type with movable hydrofoils changing the angle of attack or the lift of the foil

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Description

  • Anordnung zur Stabilisierung von Tragflügelbooten Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Stabilisierung der Lage von Tragflügelbooten bei einer flügelgestützten Fahrt, die mit einem Steuerflächen aufweisenden, bei der flügelgestützten Fahrt die Wasseroberfläche durchschneidenden Haupttragflügel ausgerüstet sind, dessen Auftrieb bei der flügelgestützten Fahrt durch die Größe der im Wasser eingetauchten Fläche des Haupttragflügels bestimmt ist, so daß sich von selbst eine Gleichgewichtslage einstellt, die ferner mit vollständig im Wasser eingetauchten, ebenfalls Steuerflächen tragenden Hilfstragflügeln ausgerüstet sind und bei denen während der flügelgestützten Fahrt die Steuersignale für die Steuerflächen der Tragflügel aus der Abweichung der Bootslage von vorgegebenen Zustandsparametern abgeleitet werden.
  • Tragflügelboote lassen sich nach der Anordnung ihrer Tragflügel einteilen, von der auch in hohem Maß ihre Seegängigkeit abhängt. Es sind hier drei Hauptklassen bekannt. 1. Tragflügelboote mit Tragflügeln, die während der flügelgestützten Fahrt ständig untergetaucht bleiben, 2. Tragflügelboote, deren Tragflügel bei der flügelgestützten Fahrt die Wasseroberfläche durchschneiden, 3. Tragflügelboote mit Haupt- und Hilfstragflügeln, deren Haupttragflügel bei der flügelgestützten Fahrt die Wasseroberfläche durchschneiden, deren Hilfstragflügel dagegen im Wasser eingetaucht bleiben. Weitere Unterschiede ergeben sich daraus, ob die Tragflügel ein- oder zweiteilig ausgeführt sind und wie die Stellung der Tragflügel in bezug auf den Schwerpunkt des Tragflügelbootes gewählt ist. Die Erfindung soll auf Tragflügelboote der dritten Art angewendet werden, die mit unterteilten Haupttragflügeln ausgerüstet sind.
  • Jede Anordnung der Tragflügel bedingt ein bestimmtes Stabilitätsverhalten des Tragflügelbootes, das sich durch besondere Stabilisierungs- und Steuerungsanordnungen beeinflussen bzw. verbessern läßt. Da aber Tragflügelboote heute noch nicht ausreichend erforscht sind, ist es noch nicht möglich, für eine vorgegebene Tragflügelkonfiguration das optimale Steuer- und Stabilisierungssystem anzugeben, insbesondere auch deshalb, weil dazu der beabsichtigte Einsatzzweck des Bootes berücksichtigt werden muß, ob also das Boot in Binnengewässern oder auf offener See verwendet werden soll.
  • Es ist bekannt, die Steuerungs- und Stabilisierungsmöglichkeiten von Tragflügelbooten mit Hilfe von Steuerflächen zu verbessern, die an den Tragflügeln angebracht sind. Solche Steuerflächen wurden auch schon zur Stabilisierung von Verdrängungsschiffen benutzt. Ebenso ist es bekannt, als Äquivalent einen Teil oder alle Tragflügel als Ganzes schwenkbar zu machen. Durch eine entsprechende Verstellung der Steuerflächen wird die Bootslage stabilisiert.
  • Es ist bekannt, Steuersignale zur Verstellung von Steuerflächen der Tragflügel über Meßfühler abzuleiten, die die Abweichungen der Bootslage von vorgegebenen Lagen feststellen. Dazu sind schon Beschleunigungsmesser und Kreiselplattformen verwendet worden, mit denen die einzelnen Bootsparameter oder deren erste oder zweite Differentialquotienten gemessen worden sind. Weiterhin sind sogenannte operative Schaltkreise vorgeschlagen worden, mit denen die aus Beschleunigungsmessern kommenden Signale in angenäherter Form integriert, d. h. in Geschwindigkeitssignale ungewandelt werden können und die gleichzeitig Nullpunktsschwankungen des Beschleunigungsmessers beseitigen sowie z. B. bei Wendemanövern auftretende Bechleunigungen niedriger Frequenz ausschalten. Eine allgemeine Lösung der Frage, wie die so gewonnenen Meßgrößen in Steuersignale umzusetzen sind, ob also ein Steuersignal beispielsweise nur aus einem ersten oder nur aus einem zweiten Differentialquotienten oder aus einer Mischung zweier Ableitungen einer Meßgröße abgeleitet werden soll, steht insbesondere im Hinblick auf die vielen möglichen Tragflügelanordnungen für Tragflügelboote noch aus. Eine weitere, allgemeine Frage ist bisher ebenfalls noch nicht beantwortet worden, nämlich die, ob für die Aussteuerung oder Stabilisierung einer bestimmten Bootsbewegung, wie beispielsweise der Stampf- oder der Rollbewegung, die dazu notwendigen Signale an die Steuerklappen der vorderen, der hinteren oder an die Steuerklappen beider Tragflügel geführt werden müssen.
  • Nach allgemeiner Ansicht läßt sich mit einem Tragflügelboot mit ständig eingetauchten Tragflügeln die ruhigste Fahrt erreichen, sofern man ein umfangreiches Stabilisierungssystem benutzt. Ein solches Stabilisierungssystem ist bekannt. Es werden darin mehrere Beschleunigungsmesser und Kreisel sowie ein Höhenmesser verwendet, um die Bootslage, die Bootsbewegung sowie die Konturen der Wasseroberfläche vor dem Boot festzustellen. Von diesen Meßfühlern werden Signale abgenommen, verarbeitet, miteinander gemischt und dann sowohl an die vorderen als auch an die hinteren Steuerklappen geführt.
  • Nachteilig bei dieser Bootsgattung ist, daß sie in der flügelgestützten Fahrt kein Eigenstabilitätsverhalten aufweist, so daß das Steuer- und Stabilisierungssystem sehr aufwendig sein muß. Der Vorteil dieser Boote besteht dagegen darin, daß sie mit einem passend dimensionierten Steuer- und Stabilisierungssystem in mindesten 90% aller Fälle auch auf offener See betrieben werden können.
  • Boote, deren Tragflügel bei der flügelgestützten Fahrt die Wasseroberfläche durchschneiden, weisen dagegen ein Eigenstabilitätsverhalten auf. Das liegt daran, daß die Hubkraft bzw. der Auftrieb, der auf das Boot einwirkt, durch die Größe der Fläche der Tragflügel bestimmt ist, die sich im Wasser befinden, so daß sich von selbst eine Gleichgewichtslage einstellt. Ein solches Boot muß naturgemäß Änderungen der Wasseroberfläche folgen und verhält sich in einer Kopfsee merklich anders als in einer ablaufenden See. Demzufolge ist die Fahrt eines solchen Bootes weniger ruhig als die Fahrt eines Bootes mit vollständig eingetauchten Tragflügeln. Die Verwendung solcher Boote ist daher bisher auf Binnengewässer und geschützte Meeresgebiete beschränkt geblieben. Für Boote mit Tragflügeln, die das Wasser durchschneiden und mit einem zusätzlichen, vollständig eingetauchten Hilfstragflügeln gilt das gleiche.
  • Ziel der Erfindung ist eine Anordnung zum Stabilisieren der Lage von Tragflügelbooten, die mit einem zweiteilig ausgeführten, das Wasser durchschneidenden, Steuerflächen tragenden Haupttragflügel sowie mit einem vollständig eingetauchten, ebenfalls mit Steuerflächen ausgerüsteten Hilfstragflügel ausgerüstet sind, mit dem Zweck, die Seegängigkeit des Bootes bzw. die Ruhe seiner Fahrt durch eine Stabilisierung und/oder Dämpfung der Roll-, Stampf- und Hubbewegung zu verbessern.
  • Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die zur Aussteuerung oder Stabilisierung der Vertikalbewegung der Schiffslängsachse parallel zur Horizontalen sowie der Rollbewegung notwendigen, aus diesen Bewegungen abgeleiteten Signale nur in den Steuerkanal für die Steuerflächen der Haupttragflügel eingesteuert sind, während die zur Aussteuerung oder Stabilisierung der Stampfbewegung des Bootes notwendigen, aus dieser Stampfbewegung abgeleiteten Signale nur in den Steuerkanal für die Steuerflächen der vollständig untergetauchten Hilfstragflügel eingesteuert sind.
  • Mit dieser Verteilung, insbesondere der Signale zum Aussteuern der Vertikalbewegung und des Stampfens auf die Steuerkanäle der Verstellflächen, ist es möglich, die Stampfbewegung auszusteuern. Es hat sich nämlich gezeigt, daß, wenn, wie es für Boote mit voll eingetauchten Tragflächen, wie oben angegeben, bekannt ist, die Steuergrößen für die Vertikal-und Stampfstabilisierung zunächst gemischt und dann den Klappen aller Tragflügel zugeführt werden, die Stabilisierung gegen die Stampfbewegung verlorengeht. Der besondere Vorteil der vorgeschlagenen Verteilung der Steuergrößen erklärt sich daraus, daß durch die allgemeine Lage des Haupttragflügels in der Nähe des Schwerpunktes der Ausgleich der Vertikalbewegungen hier am stärksten zur Wirkung kommt, während die an den Steuerflächen des Hilfstragflügels durch die Lage des Flügels bezüglich des in der Nähe des Schwerpunktes gelegenen Stampfzentrums entstehenden großen Momente vorteilhaft zur Stampfstabilisierung ausgenutzt werden können.
  • Die Stabilisierung der Rollachse wird in weiterer Ausbildung der Erfindung dadurch erreicht, daß die Signale zur Aussteuerung oder Stabilisierung der Rollbewegung in an sich bekannter Weise aus dem Rollwinkel und/oder der Rollwinkelgeschwindigkeit abgeleitet werden und die Steuerbord- und Backbordsteuerflächen in entgegengesetzter Richtung verstellen. Zum Austrimmen der Krängung können diesen Signalen, wie es bereits für eine andere Einrichtung zur Stabilisierung eines anderen Tragflächenboottyps vorgeschlagen wurde, noch einstellbare, konstante Größen addiert werden.
  • Zur Stabilisierung der Vertikalbewegung der Schiffslängsachse parallel zur Horizontalen wird die Vertikalbeschleunigung in an sich bekannter Weise von Beschleunigungsmessern gemessen. Die erhaltenen Signale werden in Ausbildung der Erfindung zu den Signalen zur Aussteuerung oder Stabilisierung der Rollbewegung und/oder der Krängung des Bootes in einer Additionsstufe, die desgleichen in der genannten Einrichtung bereits vorgeschlagen wurde, addiert.
  • Die Signale zur Stabilisierung gegen die Stampfbewegung werden in an sich bekannter Weise über einen Kreisel aus der Stampfwinkelgeschwindigkeit abgeleitet. Die Steuerklappen an den achtern Tragflügeln werden dabei gemeinsam bewegt und dienen ausschließlich der Stabilisierung des Stampfens. Im Zusammenhang damit hat sich herausgestellt, daß als Gegenkopplungssignale zwar aus dem Stampfwinkel und der Stampfwinkelgeschwindigkeit hergeleitete Signale verwendet werden können, daß aber bei Verwendung von beiden gleichzeitig die erzielte Wirkung nur unwesentlich besser ist als bei Verwendung eines der beiden Signale zur Gegenkopplung allein.
  • Weitere Merkmale im Rahmen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Im folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • F i g. 1 zeigt ein Tragflügelboot, das Tragflügel verwendet, die bei der flügelgestützten Fahrt die Wasseroberfläche durchschneiden; F i g. 2 ist eine Vorderansicht des Bootes aus Fig.1; F i g. 3 zeigt schematisch ein Steuersystem zur Erhöhung der Stabilität um die Längsachse des Fahrzeugs; F i g. 4 ist ein Blockschaltbild des Steuersystems für die Achterflügel; F i g. 5 ist ein Blockschaltbild und zeigt das Steuersystem für die vorderen Tragflügel. Die F i g. 1 und 2 zeigen ein typisches Boot, das mit vorderen Haupttragflügeln 10 und 12 ausgerüstet ist. Die Tragflügel sind gepfeilt und doppel-V-förmig ausgebildet. Ein Teil der unteren Tragflügelabschnitte 14 und 16 ist als Steuerklappe ausgebildete Steuerfläche ausgeführt. Die Klappen 14 und 16 können gemeinsam, d. h. beide gleichzeitig nach oben oder nach unten bewegt werden. Sie lassen sich aber auch entgegengesetzt, d. h. eine Klappe nach oben und die andere Klappe nach unten, bewegen. Der Hilfstragflügel 18 achtern am Boot ist vollständig im Wasser untergetaucht. Zur Steuerung der Anstellung des Achterflügels kann der ganze Flügel drehbar gemacht sein. Es lassen sich aber auch zwei Steuerklappen verwenden, die ähnlich wie die Höhenruder von Flugzeugen sind. Aus Gründen der Beschreibung soll angenommen sein, daß der Achterflügel zwei Steuerklappen 20 und 22 verwendet, jedoch ist es klar, daß auch ein drehbarer Achtertragflügel verwendet werden kann. Drehbare Tragflügel und Steuerklappen sind derart gut bekannt, daß sie nicht näher beschrieben zu werden brauchen. Die Tragflügel und die Klappen sind den Tragflächen und den Steuerrudern von Flugzeugen analog.
  • Die F i g. 3 zeigt in einer vereinfachten schematischen Darstellung die Zusammensetzung des Steuersystems, das für eine Erhöhung der Stabilität um die Längsachse des Fahrzeugs sorgt. Um die Vertikalbewegung der Schiffslängsachse parallel zur Horizontalen des Fahrzeugs zu stabilisieren, ist ein Beschleunigungsmesser 30 für die Feststellung der Vertikalbeschleunigung vorgesehen, die bei dieser Bewegung auftritt. Die Signale des Beschleunigungsmessers 30 werden einem elektronischen Netzwerk 32 zugeführt, das einen Vorverstärker und einen Verzögerungskreis enthält, um unerwünschte Eingangssignale zu entfernen und die Beschleunigungssignale in angenäherter Form zu integrieren. Das verarbeitete Signal wird dann zwei Treiberverstärkern 34 und 36 zugeführt, die sich auf der Backbord- und der Steuerbordseite des Fahrzeugs befinden. Die Verstärker betätigen Servoventile 38 und 40, die ihrerseits wieder mechanische Stellglieder 42 und 44 betreiben. Diese Stellglieder verstellen die Backbordsteuerklappe 14 und die Steuerbordklappe 16. Übertrager 46 und 48 stellen die Stellung der Steuerklappen fest und geben ein Signal an die Verstärker zurück, um die Eingangssignale für die Stellglieder wieder aufzuheben.
  • Die Stampfbewegung des Fahrzeugs wird von einem Vertikalkreisel 50 festgestellt. Das Kreiselausgangssignat wird einem Verstärker 52 zugeführt, der das Kreiselsignal verarbeitet und ein Servoventil 54 betätigt, das in der Servoschleife des Hilfstragflügels liegt. Wie in der Servoschleife für die vorderen Tragflügel betätigt das Servoventil 54 ein mechanisches Stellglied 56, das die Achterklappen 20 und 22 so lange verstellt, bis das Gegenkopplungssignal, das aus dem Übertrager 58 stammt und eine Information über die Stellung der hinteren Klappen ist, das Eingangssignal wieder aufhebt. Die Achtersteuerklappen werden auf diese Weise immer gemeinsam bewegt und stabilisieren das Fahrzeug nur gegenüber seinem Stampfen.
  • Die F i g. 4 zeigt den Steuerkanal im einzelnen, der auf Grund von Signalen, die aus der Stampfwinkelgeschwindigkeit abgeleitet sind, die Achtersteuerklappen betätigt. Wie aus der Figur zu entnehmen ist, sind vier Funktionen zur Beeinflussung der Neigung der Achtersteuerklappen vorgesehen. Eine verläuft davon automatisch, die anderen werden von Hand betätigt. Die automatische Funktion ist die Gegenkopplung über das Stampfwinkelgeschwindigkeitssignal, das von einem Geschwindigkeitskreisel 60 festgestellt wird. Wenn hier auch die Stampfgeschwindikeit festgestellt wird, so ist es doch offensichtlich, daß man dieses Signal auch mit einem Vertikalkreisel erhalten kann, dessen Ausgangssignal differenziert wird. Das Stampwinkelgeschwindigkeitssignal läuft durch einen Ein-Aus-Schalter 62 hindurch, der von dem Bootsführer bedient wird. Dieser Schalter trennt diesen individuellen Stampfgeschwindigkeitskanal ab, ohne den Rest des Systems nachteilig zu beeinflussen.
  • Es sei nun angenommen, daß der Schalter 62 eingeschaltet ist. Dann läuft das Stampfgeschwindigkeitssignal durch einen weiteren Ein-Aus-Schalter 64 hindurch, der der Hauptschalter des Systems ist und über ein Steuerrelais 66 geschaltet wird, das der Bootsführer bedient. Auf dem Wege der Stampfgeschwindigkeitssignale liegt dann noch ein weiterer Ein-Aus-Schalter 68, der von einem Relais 70 betätigt wird, das anspricht, wenn die Achtersteuerklappen ausgefahren sind. Das Relais 70 ist nur in solchen Systemen enthalten, in denen an dem Hilfstragflügel Klappen vorgesehen sind, und auch in solchen Fällen nur dann, wenn die Klappen einziehbar sind, also ähnlich wie Flügelklappen bei Flugzeugen aufgebaut sind, die eingezogen werden können, wenn sie nicht benötigt werden. Das Relais 70 schaltet den Schalter 68 nur auf »Ein«, wenn die Steuerklappen durch einen Mechanismus vollständig ausgefahren sind, der hier nicht gezeigt ist.
  • Das Stampfwinkelgeschwindigkeitssignal wird dann einer einstellbaren Verstärkungsregelung 72 zugeführt, in der die Verstärkung entweder von Hand oder automatisch von Null bis zur zweifachen Sollverstärkung geregelt wird. Am Punkt 74 wird dieses Signal dann zu anderen Eingangssignalen addiert, die von einer Handtrimmung stammen und noch beschrieben werden.
  • Eine Längstrimmung 76, die von dem Bootsführer bedient wird und mit Vorzug ein Potentiometer ist, gibt über eine Trimmungsverstärkungseinstellung 78 und über einen Ein-Aus-Schalter 80 ein Signal an die Achtersteuerklappen ab, das die Neigung der Klappen beeinflußt. Der Schalter 80 wird durch das Klappenausfahrrelais 70 betätigt. Das Trimmungssignal wird durch einen Verzögerungskreis 82 um beispielsweise 5 Sekunden elektrisch verzögert. Die beiden Achtersteuerklappen werden nicht jede für sich, sondern zusammen um den gleichen Betrag getrimmt, da eine Einzeltrimmung ein Drehmoment um die Gierachse erzeugen könnte. Die elektrische Verzögerung wird deswegen eingeführt, um solche Einschwingvorgänge, die durch den Bootsführer hervorgerufen werden, auf ein Mindestmaß zu beschränken. Das Signal für die Längstrimmung wird am Punkt 74 mit dem Gegenkopplungssignal aus der Stampfgeschwindigkeit summiert.
  • Zum Abheben werden die Achtersteuerklappen von einem einstellbaren Netzwerk 84 mit Anstellsignalen versorgt. Diese Signale verursachen einen Anstellwinkel der hinteren Steuerklappen zwischen 0 und 20°, wodurch während der Übergangsperiode beim Abheben Hubkräfte hervorgerufen werden, um die Instabilitäten des Fahrzeugs beim Anheben zu überwinden. Das Signal läuft über einen hinteren Abhebeschalter 86 sowie über einen Relaisschalter 88, der ein Ein-Aus-Schalter ist und durch die voll ausgefahrenen Steuerklappen betätigt wird. Eine Schaltung 90, die die Ausschwingvorgänge regelt und die intern zwischen 3 und 5 Sekunden einstellbar ist, ist in den Kreis eingeschaltet, um ein plötzliches Wegnehmen des großen Abhebe-Anstell-Winkels gleich nach dem Abheben zu verhindern. Dadurch werden Störungen in den übergängen in Längsrichtung verhindert, die zu einem Bruchschaden führen könnten. Wird der Anstellwinkel der Achtersteuerklappen vor dem Abheben schnell geändert, so ergeben sich daraus keine Schwierigkeiten. Das Signal für den Abhebe-Anstell-Winkel wird ebenfalls am Punkt 74 mit aufsummiert.
  • Nachdem die Signale für die Stampfgeschwindigkeit, für die Längstrimmung und für den Abhebe-Anstell-Winkel aufsummiert worden sind, wird dieses Summensignal zwei weiteren Punkten 92 und 94 zugeführt, wo es mit einem Signal vereinigt wird, das von dem Ruder des Fahrzeugs stammt. Wenn der Bootsführer das Ruder bewegt, so wird von einem Ruderübertrager 96 ein Signal erzeugt. Dieses Signal läuft durch eine Verstärkungseinstellung 98, den Ein-Aus-Relaisschalter 100; der durch das Ausfahren der Achterklappen- betätigt wird, sowie durch einen Begrenzer 102, der den Einfluß des Ruderrades beschneidet.
  • Der Einfluß des Ruderrades auf die Steuerung wird aus folgendem Grund beschnitten: Immer dann, wenn an irgendeinem der Steuerklappenpaare gemeinsame oder unterschiedliche Signale aufsummiert werden, wird nämlich die Möglichkeit offenkundig, daß die Wirkung eines Steuerkanals durch die Wirkung eines anderen Kanals beeinträchtigt werden kann. Wenn beispielsweise der Bootsführer die Möglichkeit hat, die Steuerklappen durch ein Ruderkommando in ihre entgegengesetzte Endausschläge zu bringen, so wird während dieser Zeit die Wirksamkeit der Stabilisierungssteuerung für das Stampfen, das Rollen und für die Vertikalbewegung merklich beeinträchtigt. Wenn also die eine Steuerklappe ganz nach unten und die andere Steuerklappe ganz nach oben eingestellt ist, so bewirkt ein Gegenkopplungssignal für die Vertikalbewegung oder für die Stampfwinkelgeschwindigkeit, daß die eine Steuerklappe aus ihrem Endausschlag herausgedreht wird, während die andere Steuerklappe nur fester an ihren Endanschlag gepreßt wird. Das Ergebnis sind unsymmetrische Stabilisierungskräfte für die Vertikalbewegung oder für die Stampfwinkelgeschwindigkeit, die ein Übergangsdrehmoment in der Rollachse hervorrufen können. Daher wird die Wirkung der Rudersignale beschnitten, und zwar an den Rudersignaleingängen. Der Bereich der Signale vom Ruderrad ist sowohl für die vorderen als auch für die hinteren Steuerklappen innerhalb von einem Anstellwinkelbereich von ± 10 bis ±20° einstellbar.
  • In der Blockschaltung 104 werden die Steuersignale für eine Regelschleife in ihrer Phase umgedreht. An den Signaleingängen 92 und 94 der Regelschleifen für die Klappenstellung werden diese Signale den zusammengesetzten Signalen der anderen Stabilisierungs- und Trimmungsfunktionen hinzuaddiert.
  • Da die beiden Regelschleifen für die Klappenstellung identisch sind, wird nur eine davon im einzelnen beschrieben. Es soll aber bemerkt werden, daß zwei solcher Schleifen notwendig sind. Das Signal an jedem Signaleingang 92 für die Regelschleife der Klappenstellung wird in einem einstellbaren Begrenzer 106 beschnitten. Anschließend wird es einem weiteren Summationspunkt 108 zugeführt, wo es zusammen mit den Ausgangssignalen eines Kreises 110, der für die Nulltrimmung des Bootes Sorge trägt, sowie mit den Signalen aus einem Gegenkopplungsübertrager addiert wird. Der Kreis 110 für die Nulltrimmung sorgt nur für eine Trimmung der Steuerklappen. Der durch ihn hervorgerufene Ausschlag ist auf einen Winkelbereich von ±3° beschränkt. Das Fehlersignal wird in dem Treiberverstärker 112 verstärkt und demoduliert, um ein elektrohydraulisches Servoventil 114 zu betätigen. Das Servoventil 114 läßt die hydraulische Flüssigkeit einem Stellglied 116 zufließen, das mechanisch mit seiner entsprechenden Steuerklappe 20 verbunden ist. Gegenkopplungsübertrager 118 und 120 sind mechanisch mit der Steuerklappe 20 verbunden. Sie geben wieder ein Signal rückwärts an den Eingang des Treiberverstärkers 112 ab, und zwar über den Summationspunkt 108, wo dieses Signal mit der Summe der Eingangssignale und der Nulltrimmungssignale verglichen wird. Die Ausgangssignale der Gegenkopplungsübertrager sind so eingerichtet, daß der Ausfall eines Signals am Eingang des Treiberverstärkers sich nur in einem 50%igen Schlechterwerden des Frequenzverhaltens der geschlossenen Regelschleife bemerkbar macht. Gleichzeitig wird aber die Schleifenverstärkung verdoppelt, so daß die gesamte Wirksamkeit nur geringfügig beeinträchtigt wird.
  • Die Ausgangssignale der beiden Gegenkopplungsübertrager 118 und 120 werden bei 122 demodullert und summiert, um einen Anzeiger für die Steuerklappenstellung 124 zu betreiben. Obwohl es nicht gezeigt ist, ist es offensichtlich, daß für die Gegenkopplungsübertrager, die anderen Einheiten und auch für die Verstärker Strornversorgungen vorhanden sein müssen.
  • Das Klappenausfahrrelais 70 wird von dem Bootsführer über einen Klappenausfahrschalter 126 betätigt. In gleicher Weise wird das Steuerrelais 66 von dem Bootsführer mit einem Ein-Aus-Schalter 128 bedient.
  • Die F i g. 5 zeigt als Blockdiagramm das vollständige Steuersystem für die vorderen Steuerklappen 14 und 16. Die Eingangssignale für die vorderen Klappen bestehen aus einem Gegenkopplungssignal für die Vertikalgeschwindigkeit, einem von Hand einzustellenden Signal für die Trimmung der Krängung sowie einem über Kreuz eingesteuerten Steuersignal. Außerdem ist für die Stabilisierung noch ein besonderes Rollsignal vorgesehen.
  • In der F i g. 5 werden von einem Beschleunigungsmesser 150 Signale festgestellt, die proportional den senkrechten Beschleunigungen sind, die vorn am Boot auftreten. Diese Signale laufen über einen Aus-Schalter 152, der von dem Bootsführer bedient wird und die Signale des Beschleunigungsmessers abschaltet. Das Signal läuft dann über einen Bootssteuerschalter 154, der von dem Bootssteuerrelais 66 betätigt wird, sowie über einen weiteren Ein-Aus-Schalter 156, der von dem Klappenausfahrrelais 158 für die vorderen Klappen betätigt wird. Der Schalter 156 ist nur dann eingeschaltet, wenn die vorderen Klappen vollständig ausgefahren sind. Das Signal wird dann verarbeitet, um die Wirkungen von festgestellten Gravitationskopplungen auszuschalten und in einem bereits vorgeschlagenen operativen Verstärker 160 in angenäherter Form integriert. Der Zweck dieses operativen Verstärkers ist es, Nullpunktschwankungen des Beschleunigungsmessers auszuschalten, Beschleunigungen niedriger Frequenzen zu reduzieren, die bei lang andauerndem Wenden des Bootes auftreten können, sowie aus den Beschleunigungen durch eine Integration in angenäherter Form Geschwindigkeitssignale abzuleiten. Die Verstärkungen in den Gegenkopplungsschleifen für die Geschwindigkeit und für den Beschleunigungsmesser sind so hoch, daß selbst hochwertige seismische Beschleunigungsmesser Nullpunktverschiebungen aufweisen, die an den entsprechenden Steuerflächen unerwünschte lang andauernde Stehsignale hervorrufen können. Dieses Problem wird durch die Verwendung eines Verzögerungskreises umgangen. Die Ausgangssignale des Beschleunigungsmessers werden verzögert und in einer angenäherten Form integriert, um ein Signal für die vertikale Geschwindigkeit zu erhalten. Diese beiden Signale (h' und h") werden summiert und in ihrer Verstärkung geregelt, um für ein optimales Fahrverhalten die richtigen Verhältnisse von Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverstärkung einzustellen. Die Verzögerung ist einstellbar, und zwar beispielsweise zwischen 3 und 7 Sekunden.
  • Das Signal wird dann soweit als nötig bei 162 vorverstärkt, seine Verstärkung in der einstellbaren Verstärkungsschaltung 164 geregelt und an den Servoschleifen 166 und 168 für die vorderen Klappenstellungen aufsummiert.
  • Das Signal für die Krängungstrimmung von Hand aus dem Blockkreis 170 sowie die über Kreuz eingesteuerten Steuersignale werden so verarbeitet, wie es in der F i g. 4 beschrieben worden ist, bis auf den Unterschied, daß die beiden Signale zuerst am Punkt 172 aufsummiert werden und ihre Phase für die Klappenstellungssteuerschleife 166 umgedreht wird, während die Signale der Klappenstellungssteuerschleife 168 direkt zugeführt werden. Das nutzbare Signal das jeder der Gegnekopplungsschleifen für die Klappenstellung zugeführt wird, ist begrenzt und wird an die Eingänge der Treiberverstärker angelegt.
  • Der Gegenkopplungskanal für die Rollstabilisierung ist genauso aufgebaut wie der Gegenkopplungskanal, der als Steuersignale die Stampfwinkelgeschwindigkeit verwendet. Die beiden Kanäle unterscheiden sich nur dadurch, daß das Signal aus einem Rollkreisel, das proportional dem Rollwinkel ist, mit dem Trimmsignal für die Krängungstrimmung am Punkt 172 addiert wird und anschließend mit unterschiedlicher Phase den Regelschleifen für die Klappenstellung zugeführt wird.
  • Die Bezugsziffern in F i g. 5, die mit den Bezugsziffern in F i g. 4 übereinstimmen, sollen anzeigen, daß die gleichen Schaltungen verwendet werden können.
  • Obwohl das Rollwinkelsignal, das in F i g. 5 gezeigt ist, als proportionales Rollwinkelsignal beschrieben ist, dürfte es aus verschiedenen früheren Bemerkungen klar sein, daß sich auch ein Signal verwenden läßt, das aus der Rollwinkelgeschwindigkeit abgeleitet ist. Nun kann es bei bestimmten Fahrtmanövern günstig sein, das Signal, das die Rollwinkelgeschwindigkeit anzeigt, zu »löschen«. Eine gute Kurvenlage erfordert einen schnellen entgegengesetzten Ausschlag der Steuerklappen, wenn ein Ruderkommando gegeben wird. Wenn nun ein hochverstärktes Rollwinkelgeschwindigkeitssignal direkt mit einem über Kreuz eingesteuerten Rudersignal summiert wird, kann das Rollwinkelgeschwindigkeitssignal das Rudersignal überdecken. Wenn ein großes Ruderkommando gegeben wird, so kann nicht nur die Neigung auftreten, daß das Boot zu Beginn ausrollt; zusätzlich kann der Fall auftreten, daß das Boot auf das Rudersignal nur wenig anspricht. Um eine hohe Verstärkung im Rollwinkelgeschwindigkeitskanal aufrechtzuerhalten, und zwar der Stabilität unter allen Seegangsbedingungen wegen und um gleichzeitig ein empfindliches Rudersystem zu haben, kann das Rollwinkelgeschwindigkeitssignal in einer Schaltung unterdrückt werden. Das läßt sich dadurch erreichen, daß man die Umdrehungsgeschwindigkeit des Ruderrades feststellt, dieses Geschwindigkeitssignal zu Beginn verzögert und das dabei entstehende Signal dazu verwendet, die Amplitude des Rollwinkelgeschwindigkeitssignals zu verkleinern. Die Zeitdauer dieser Signalunterdrükkung bzw. Signalverminderung kann über eine interne Einstellung geändert werden.

Claims (15)

  1. Patentansprüche: 1. Anordnung zur Stabilisierung der Lage von Tragflügelbooten bei einer flügelgestützten Fahrt, die mit einem Steuerflächen aufweisenden, bei der flügelgestützten Fahrt die Wasseroberfläche durchschneidenden Haupttragflügel ausgerüstet sind, dessen Auftrieb bei der flügelgestützten Fahrt durch die Größe der im Wasser eingetauchten Fläche des Haupttragflügels bestimmt ist, so daß sich von selbst eine Gleichgewichtslage einstellt, die ferner mit vollständig im Wasser eingetauchten, ebenfalls Steuerflächen tragenden Hilfstragflügeln ausgerüstet sind und bei denen während der flügelgestützten Fahrt die Steuersignale für die Steuerflächen der Tragflügel aus der Abweichung der Bootslage von vorgegebenen Zustandsparametern abgeleitet werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die zur Aussteuerung oder Stabilisierung der Vertikalbewegung der Schiffslängsachse parallel zur Horizontalen sowie der Rollbewegung notwendigen, aus diesen Bewegungen abgeleiteten Signale nur in den Steuerkanal für die Steuerflächen (14, 16) der Haupttragflügel (10, 12) eingesteuert sind, während die zur Aussteuerung oder Stabilisierung der Stampfbewegung der Boote notwendigen, aus dieser Stampfbewegung abgeleiteten Signale nur in den Steuerkanal für die Steuerflächen (20, 22) der vollständig untergetauchten Hilfstragflügel (18) eingesteuert sind.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignale zur Aussteuerung oder Stabilisierung der Vertikalbewegung der Schiffslängsachse parallel zur Horizontalen auf an sich bekannte Weise aus einem Beschleunigungsmesser (30) abgeleitet sind.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignale zur Aussteuerung oder Stabilisierung der Rollbewegung auf an sich bekannte Weise aus dem Rollwinkel und/oder der Rollgeschwindigkeit abgeleitet sind und die Backbord- und Steuerbordsteuerflächen (14, 16) in entgegengesetzter Richtung verstellen.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuersignal zur Aussteuerung oder Stabilisierung der Rollbewegung zur Austrimmung der Krängung des Bootes in bereits vorgeschlagener Weise eine einstellbare konstante Größe addierbar ist.
  5. 5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem die Steuerflächen (14, 16) der vorderen Haupttragflügel (10, 12) in unterschiedlicher Richtung verstellenden Steuersignal ein weiteres Signal addiert ist das aus der Bewegung des Ruderrades des Bootes abgeleitet ist und die Flächen derart verstellt, daß die Steuerfläche auf der Seite, nach der gesteuert wird, einen Abtrieb erzeugt, während die andere Steuerfläche einen Auftrieb erzeugt.
  6. 6. Anordnung nach Ansprüchen 3, 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine bereits vorgeschlagene Additionsstufe, der die Steuersignale zur Aussteuerung oder Stabilisierung der Vertikalbewegung der Schiffslängsachse parallel zur Horizontalen sowie die Steuersignale zur Aussteuerung oder Stabilisierung der Rollbewegung und/oder der Krängung des Bootes zugeführt sind, bevor sie gemeinsam die Verstellung der beiden Steuerflächen (14, 16) der Haupttragflügel (10, 12) bewirken.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Bewegung des Ruderrades abgeleitete Signal vor der Addition mit den anderen Signalen durch eine Begrenzerstufe hindurchgeführt ist, durch die die Amplitude des Signals auf einen einstellbaren Maximalwert begrenzbar ist. B.
  8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal zur Stabilisierung und/oder Dämpfung der Stampfbewegung auf an sich bekannte Weise von einem Kreisel (50) her aus der Stampfwinkelgeschwindigkeit abgeleitet ist.
  9. 9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Signal zur Stabilisierung und/oder Dämpfung der Stampfbewegung zur Trimmung in bereits vorgeschlagener Weise ein. konstantes Signal einstellbarer Größe ad- , dien ist.
  10. 10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Signal vor der Addition durch einen Verzögerungsschaltkreis hindurchgeführt ist.
  11. 11. Anordnung nach Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Signalen zur Auslösung der Verstellung der Steuerflächen (20, 22) der hinteren Hilfstragflügel (18) während des Überganges von der normalen zur flügelgestützten Fahrt ein Signal addierbar ist, durch das die beiden hinteren Steuerflächen (20, 22) positiv anstellbar sind.
  12. 12. Anordnung nach Ansprüchen 9, 20 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß den Signalen, die die Verstellung der hinteren Steuerflächen (20, 22) auslösen, ein weiteres, aus der Bewegung des Ruderrades abgeleitetes Signal überlagert ist, das die beiden hinteren Steuerflächen derart verstellt, daß die Steuerfläche auf der Seite, nach der gesteuert wird, einen Abtrieb erzeugt, während die andere Steuerfläche einen Auftrieb erzeugt.
  13. 13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Bewegung des Ruderrades abgeleitete Signal vor seiner Überlagerung mit den anderen Signalen durch einen Begrenzer hindurchgeführt ist, der die Größe des Signals von einer einstellbaren Maximalamplitude an beschneidet.
  14. 14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 und 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die völlig untergetauchten Hilfstragflügel selbst auf bekannte Weise als ganze schwenkbar sind.
  15. 15. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerflächen (14, 16, 20, 22) an dem Haupttragflügel (10, 12) und/oder dem Hilfstragflügel (18) auf an sich bekannte Weise einzieh- und ausfahrbar sind und daß alle Signale, die die Servoschleifen für die Verstellung der Steuerflächen ansteuern, durch Schalter (70) geführt sind, die nur dann geschlossen sind, wenn die Steuerflächen voll ausgefahren sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 829 822; USA.-Patentschrift Nr. 3 051000; Paper, Nr. 5 der »Institution of Naval Architects«, London, 26.3. 1958; Zeitschrift »Shipbuilding and Shipping Record«, 1961, S.769.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004043773A1 (en) * 2002-11-12 2004-05-27 Francesco Ramaioli High speed and stability watercraft comprising a lift arrangement with a fully submerged hydrofoil

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GB829822A (en) * 1955-06-20 1960-03-09 Sperry Rand Corp Stabilizing apparatus for ships
US3051000A (en) * 1959-01-28 1962-08-28 Miami Shipbuilding Corp Submergence measuring apparatus

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