DE2353831A1

DE2353831A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen der fluglage eines flugkoerpers in dem elektrostatischen feld der erdatmosphaere

Info

Publication number: DE2353831A1
Application number: DE19732353831
Authority: DE
Inventors: Maynard Luther Hill
Original assignee: Johns Hopkins University
Current assignee: Johns Hopkins University
Priority date: 1972-10-27
Filing date: 1973-10-26
Publication date: 1974-05-30
Also published as: GB1407760A; SE396340B; CA1033029A; US4091326A; FR2204795A1; JPS4994098A; FR2204795B1; JPS5432240B2; IT1030563B; US3868074A; DE2353831C3; DE2353831B2; BE806584A

Description

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THE JOHNS HOPKINS UNIVERSITY Baltimore, Maryland (V.St.A.)

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Fluglage eines Flugkörpers in dem elektrostatischen Feld der Erdatmosphäre .

Es ist seit langem bekannt, daß in der Erdatmosphäre ein statisches elektrisches Feld vorhanden ist. Vor einiger Zeit wurde festgestellt, daß dieses elektrostatische Feld einen vertikalen Potentialgradienten hat und daß die Veränderung des Potentials pro Meter mit zunehmender Höhe abnimmt. In Jeder Höhe sind jedpch die Äq_uipotentiallinien und -ebenen im wesentlichen horizontal,, insbesondere in einem örtlich begrenzten Raum. Durch die Be- Stimmung einer horizontalen Äquipotentiallinie oder -ebene in der Atmosphäre könnte man eine Bezugslinie oder -ebene beispielsweise für die Stabilisierung eines Flugzeuges, für die gyroskopische Abdriftkorrektur oder für die Anzeige einer Turbulenz in sauberer Luft schaffen. Durch die Bestimmung von.geneigten Äquipotentialebenen oder -linien in der- Nähe, von verschiedenen Gegenständen könnte'man eine •Bezugsebene oder -linie für Vorrichtungen zum Vermeiden von Hindernissen schaffen. ·

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Die Erfindung schafft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auswerten des in der Erdatmos-■ phäre vorhandenen elektrostatischen Feldes der .Erde zur Erzeugung eines Bezugssignals, das für.die Stabilisierung von Flugkörpern um ihre Quer- und Längsachse herangezogen werden kann. Allgemein lehrt die Erfindung die kontinuierliche Bestimmung einer Äquipotentiallinie oder -ebene im Bereich des vertikalen Potentialgradienten des" elektrostatischen Feldes der Erde. Zur Bestimmung dieser Äquipotentiallinie oder -ebene erzeugt die erfindungsgemäße Vorrichtung ein einfaches Gleichspannungssignal, das für verschiedene Funktionen herangezogen werden kann. Die Erfindung schafft ferner ©in-Verfahren zum kontinuierlichen Bestimmen einer Äquipotentiallinie oder -ebene im Bereich des Potentialgradienten des elektrostatischen Feldes der Erde. In diesem Verfahren werden mindestens zwei Spannungssonden in den Bereich des Potentialgradienten des elektro-'statischen Feldes der Erde eingeführt und wird die Differenz zwischen den von den beiden Sonden gemessenen elektrostatischen Spannungen bestimmt. Wenn beide Sonden dieselbe Spannung messen, so daß die Differenz zwischen den beiden gemessenen Spannungen gleich Null ist, liegen die Sonden gewöhnlich auf einer horizontalen Äquipotentiallinie, weil der Potentialgradient des elektrostatischen Feldes der Erde vertikal ist. Eine horizontale Äq.uipotentialebene kann man mit Hilfe von zwei Paaren von Spannungssonden· bestimmen oder mit drei Sonden, von denen eine auf die elektrische Mitte zwischen den beiden anderen Sonden bezogen ist. In Bereichen, in denen der Potentialgradient infolge von Gegenständen oder Ionisationsquellen von der Vertikalen abweicht, kann man auf ähnliche V/eise auch nichthorizontale Äquipotentialebenen und -linien bestimmen.

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Die erfihdungsgemäße Vorrichtung feesitzt Spaiinungsmeßsonden und einen differenzverstärker- für elektrostatische Spannungen» -^ie Spannungsmeßsonden können aus radioaktivem Material bestehen, damit ein besserer elektrischer Kontakt mit der Atmosphäre erzielt wird. Der-Verstärker empfängt die von den Sonden gemessenen Potentiale, mißt die Differenz zwischen ihnen und erzeugt ein Spannungsdifferenzsignal, das zur Steuerung einer äervomechanischen oder anderen Vorrichtung verwendet werden kann. Die vorstehend beschriebene Anordnung mit den Etpahnungsmeßsonden und dem Differenzverstärker für elektrostatische Spannungen wird nachstehend als DifferenzspannungsMesser für elektrostatische Spannungen bezeichnet* Die tatsächliche oder effektive Kombination von zwei Differenzspannungsmessern für elektrostatische Spannungen ermöglicht die Bestimmung einer Äquipotentialebene in dem Bereich des vertikalen POtentialgradienten des elektrostatischen leides der Erde. Da diese Äqüipotentialebene in einem relativ kleinen Raum bestimmt wird, ist dieses Ebene im wesentlichen horizontal und kanr^sie beispielsweise als Bezugsebene für die Stabilisierung eines Flügzeuges verwendet ^werden. . _;.

Wenn die vorstehend angegebenen Sonden an den Flügelspitzen eines Flugzeuges oder im wesentlichen auf dessen Querachse angeordnet sind, ist die von dem Differenzverstärker für elektrostatische Spannungen gemessene Spannungsdifferenz zwischen den Sonden eine Funktion des Qüerneigunfeswinkels des Flugzeuges* Die gemessene Spannungsdifferenz zwischen zwei Sonden, die im wesentlichen auf der Längsachse eines Flugzeuges angeordnet sind* ist. eine Funktion des Längsneigungswinkels des Flugzeuges. Die auf diese Weise erzeugten Spannungsdifferenz-Ausgangssignale für den Längs- und. Querneigungswinkel des Flüg-

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zeuges können zur Steuerung eines servomechanischen Systems verwendet werden, das dazu dient, das Flugzeug in einer zur Erdoberfläche parallelen Fluglage zu erhalten. Man kann brauchbare Informationen auch erhalten, wenn die Sonden, nicht genau auf der Quer- bzw. Längsachse des Plugzeuges liegen oder wenn sie auf einer linie liegen, die zu der betreffenden Achse nicht genau parallel ist. Die Sonden brauchen auch nicht genau in derselben Höhe relativ zu der Erdoberfläche oder der horizontalen Achse des Plugzeuges zu sein.

Die Erfindung schafft ferner- ein Yerfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Roll- oder Nickgeschwindigkeit eines Flugkörpers. Diese Vorrichtung zum Messen der Winkelgeschwindigkeit besitzt zwei leitende Drähte, die im wesentlichen auf der Quer- oder Längsachse des Plugzeuges oder auf einer zu ihr parallelen Linie liegen. Wenn man diese Drähte in dem elektrostatischen Feld der Erde dreht, wird in den Drähten ein Strom erzeugt. Der erzeugte Strom wird von einem Strommesser gemessen. Die Stromstärke ist der EoIl- bzw. ITickgeschwindigkeit des Plugkörpers proportional.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit in der Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum ständigen Bestimmen einer Äquipotentiallinie oder -ebene in dem elektrostatischen Feld der Erde.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Differenzspannungsmessers, mit dem ein Plugkörper versehen ist und der eine Differenzspannung mißt, die eine Punktion des Quer- öder Längsneigungswinkels des Plugkörpers ist.

Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines Strommessers zum Bestimmen der RoIl- oder Nickgeschwindigkeit eines Flugkörpers'durch Messen des Stromes, der in zwei leitenden Drähten induziert wird, die in dem Bereich'des Potentialgradienten des elektrostatischen Feldes der Erde gedreht werden.

Die Erfindung schafft somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Informationssignals, das von dem elektrostatischen Feld der Erde abgeleitet ist. In einer Ausführungsform, der Erfindung ist ein Differenzspannungsmesser für elektrostatische Spannungen vorgesehen, der im Abstand voneinander angeordnete Spannungsmeßsonden und einen Differenzverstärker für elektrostatische Spannungen umfaßtv Dieser Verstärker bestimmt die Differenz zwischen den von den Sonden gemessenen Spannungen. Da die Sonden eine elektrostatische Spannung messen, die in der Erdatmosphäre infolge des vertikalen Potentialgradienten vorhanden ist, gibt das von dem Differenzverstärker erzeugte Differenzspannungssignal die Lage der Sonden relativ zu einer Linie an, die gewöhnlich zur Erdoberfläche parallel ist· Infolgedessen kann der Spannungsmesser vorteilhaft in einem System zur Anzeige und Stabilisierung des längs- und Querneigungswinkels von Flugkörpern verwendet werden. In anderen Ausführungsforme'n schafft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen einer horizontalen Bezugsebene in der Atmosphäre sowie eine Vorrichtung zumplessen der Roll- oder Nickgeschwindigkeit eines Flugkörpers.

In den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird ein elektrisches Informationssignal erzeugt, das von dem Potentialgradienten des elektrostatischen Feldes der Erde abgeleitet ist..Dieses Signal kann für ver-

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schiedene funktionen ausgewertet werden, u.a. zur Stabilisierung eines Flugkörpers. Die Erfindung schafft im • wesentlichen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Potentialdifferenz zwisohsn zwei Punkten, die in geringem. Abstand voneinander im elektrostatischen Feld der Erde angeordnet sind. In einer einfachen Ausführungsform der Erfindung wird mit Hilfe eines Differenzspannungsmessers für elektrostatische Spannungen ein ^öignal erzeugt, das die Auslenkung einer die beiden im Abstand voneinander angeordneten Sonden des Spannungsmessers verbindenden Geraden gegenüber einer zur Erdoberfläche parallelen Linie zeigt. Man kann zwei Differenzspannungsmesser für elektrostatische Spannungen derart miteinander kombinieren, daß im Bereich des Potentialgradienten des elektrostatischen Feldes der Erde eine Äquipotentialebene bestimmt wird. Die auf diese Weise "bestimmte Äquipotentialebene ist gewöhnlich zu der Erdoberfläche im wesentlichen parallel, so .daß auf diese Weise eine künstliche Horizontalebene geschaffen wird, die dann zur Stabilisierung des Flugkörpers um seine Quer- und Längsachse verwendet werden kann. Infolgedessen lehrt die Erfindung, von dem Potentialgradienten des elektrostatischen Feldes der Erde abgeleitete, leicht auswertbare GleichstromBignale zu erzeugen, die den Querneigungswinkel und die Rollgeschwindigkeit und/ oder den Längsneigungswinkel und die Nickgeschwindigkeit darstellen.

Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung hervor.

In den Zeichnungen zeigt

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■ - - . Pig. 1 schematised, einen für" die Verwendung an Bord eines Flugzeuges geeigneten Differenzspannungsmesser für elektrostatische Spannungen,

2 ein ausführliches Schaltschema des Differenzspannungsmessers nach Fig. -"1 ,

* ■

Fig. 5 schematisch Flugzeuge in verschiedenen Querneigungslagen, ·

Fig. 4 schematisch Flugzeuge in verschiedenen Längsneigungslagen, ,

Fig. 5 eine idealisierte schematische Darstellung einer aus zwei Differenzspannüngsmessern für elektrostatische Spannungen bestehenden Vorrichtung zum Bestimmen einer "Äquipotentialebene,

Fig. 6 eine idealisierte schematische Darstellung eigner Vorrichtung zum Bestimmen einer Äquipotentiälebene mit zusätzlichen Spannungsmeßsonden für eine automatische Verstärkungsregelung und

Fig. 7 eine ausführliches Schaltschema der Vorrichtung zum Bestimmen der Rollgeschwindigkeit eines Flugkörpers. ■-"..-

; Gemäß· den figuren 1 und .2 besitzt ein Differenzspannungsmesser 10 für elektrostatische Spannungen zwei bonden 12 und einen Differenzspannungsverstärker H. Die Sonden 12 sind beispielsweise an den Flügelspitzen eines Flugzeuges 16 montiert. Das Ausgangssignal des Spannungsmessers 10 bzw. des Verstärkers 14 wird an eine bekannte servomechanische Vorrichtung 18 angelegt, die eine

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bestimmte Punktion ausführt, z.B. mit Hilfe des Querruders 20 eine Stabilisierung des.Flugzeuges 16 um seine längs-achse bewirkt. Die Sonden 12 können aus Metallblöcken 22 bestehen, die mit einer Schicht 24 aus einem radioaktiven Metall oder einem radioaktiven Metallsalz Überzogen sind, damit infolge der Emission von Alphateilchen und der da* durch bewirkten Ionisation der Luft die Leitfähigkeit der luft in der Nähe d er Sonden erhöht und dadurch der elektrische Kontakt zwischen den Sonden und der luft verbessert wird. Die Sonden 12 können auch von leitenden nadelartigen Spitzen oder dünnen zugespitzten Metalldrähten, Chemikalien-Sprühnebeln, heißen Gasen usw. gebildet werden» Die Sonden sprechen schnell auf Veränderungen der elektrostatischen Spannung in der Atmosphäre an. Die von den Sonden 12 gemessene Spannung wird als Eingang mit niedriger Impedanz an den DifferenzBpannungsverstärker 14 angelegt.

Wie besonders aus der Pig. 2 hervorgeht, sind die Sonden 12 mit dem Verstärker 14 durch Koaxialkabel oder andere elektrische Verbindungen 26 verbunden, die einen hohen Isolationswiderstand besitzen, so daß Kriechwege vermieden werden. Der Differenzspannungsverstärker 14 umfaßt zwei Operationsverstärker 28a und 28b, an deren Eingänge je eine der Sonden 12 angeschlossen ist. An die Verbindung zwischen jeder Sonde und dem dazugehörigen Verstärker ist eine Reihenschaltung angeschlossen, die aus einem Widerstand 30a oder 30b und einem Potentiometer 32 besteht. Infolge der Widerstände 30a und 30b haben die Operationsverstärker 28a und 28b eine hohe Eingangsimpedanz. Der Ausgang des Verstärkers 28a wird über den Widerstand 34 an den Minuspol des Verstärkers 28b angelegt, dessen Pluspol direkt an den Widerstand 30b angeschlossen ist. Das Ausgangssignal dea Verstärkers 28b ist das Ausgangssignal des Differenzspannungsverstärkers 14 und ist der Differenz

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zwischen den von den beiden Sonden. 12 gemessenen Spannungen proportional. Wenn die Sonden 12 auf ein und derselben Äquipotentiallinie oder -ebene.-liegen-, ist die Spannungsdifferenz gleich Null. Wenn eine der Sonden 12 oberhalb der anderen Sonde liegt, wird ein Spannungsdifferenzsignal erzeugt, das dem Höhenunterschied zwischen den Sonden proportional ist., Biese Spannungsdifferenz ist auf den vertikalen elektrostatischen Potentialgradienten zurückzuführen, der in der Erdatmosphäre vorhanden ist. Man er-. kennt,, daß der Differenzspannungsmesser 10 für elektrostatische Spannungen zu verschiedenen Funktionen herangezogen werden kann, u.a. zur Stabilisierung eines Flugkörpers um seine Quer-.oder Längsachse. Wenn man die Sonden von dem Verstärker 14 trennt, kann man den Widerstand 30a so einstellen, daß bei 36 eine Spannung von 0 Volt vorhanden ist, und kann man den Widerstand 30b so einstellen., daß ein gewünschtes Ausgangssignal erhalten wird, -das einem neutralen horizontalen Gradienten entspricht. Wenn man die beiden Sonden 12 an den einander entgegengesetzten Flügelspitzen des Flugzeuges 16 anordnet, ist der Ausgang des Spannungsmessers dem Querneigungswinkel des Flugzeuges 16 proportional. Wenn man die Sonden 12 eines Spannungsmessers 10 längs der Längsachse des Flugzeuges 16 anordnet, ist der Ausgang des Spannungsmessers 10 dem Länganeigungswinkel des Flugzeuges proportional. Die Ausgangssignale der an Bord des Flugzeuges 16 vorgesehenen Spannungsmesser 10 können, dann gesiebt und an die servomeehaiiische Vorrichtung 18 angelegt werden. Auf diese Weise kann man eine Stabilisierung des Flugkörpers um seihe Quer- oder Längsachse bewirken. Mit Hilfe von zwei miteinander kombinierten Spannungsmessern 10 kann man einen'Flugkörper um seine Quer- und Längsachse stabilisieren.

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- to -

Fig, 3 zeigt drei mit Spannungsmessern versehene Flugzeuge 50a, 50b und 50e in dem elektrostatischen Feld E. Die Sonden 12 eind an den flügel spitzen jedes Flugzeuges erkennbar. Das Feld E hat einen vertikalen Gradienten, wqbei die Veränderung des elektrostatischen Potentials pro Meter in der Atmosphäre mit zunehmender Höhe abnimmt." Infolgedessen aind.die Kraftlinien 5,2 des el ekt ro at »tischen Spannungsfeldes S parallele linien, di® in der Nähe der Erdoberfläche 54- kleinere Abstand® voneinander haben. Im Bereich von Bergen 57 oder ähnlichen Hindernissen und die Linien. 52 verformt und geneigt« Man erkennt, daß das Flugzeug 50a horizontal fliegt und die Flügelspitzen des Flugzeuges auf einer- Linie "5β liegen, die zu der Erdoberfläche 54 parallel ist» Die Sonden 12 brauchen nicht unbedingt an den Flügelspitzen des Flugzeuges 5Qa angeordnet sein, son-' dern können sioh nahe beieinander in einem kleinen Gehäuse befinden, das praktisch, an jeder Stelle des Flugzeuges angeordnet sein kann. Die Sonden .12 sind im wesentlichen auf der horizontalen Linie 56 angeordnet. Im allgemeinen erzielt man bei e^nem größeren Abstand der Sonden 12 voneinander eine größere Empfindlichkeit gegenüber einer Neigung des Flugzeuges. Bei der für das Flugzeug 50a dargestellten Querneigungslage.messen beide Sonden dieselbe elektrostatische Spannung, so daß der mit den Sonden 12 versehene Spannungsmesser ein Ausgangssignal erzeugt, das der Spannungsdifferenz Null entspricht und anzeigt, daß das Flugzeug den Querneigungswinkel Null hat. Dagegen ist das Flugzeug 50b nach links geneigt, weil seine linke Flügelspitze weniger weit von der Erdoberfläche entfernt ist als seine rechte Flügelspitze. In dieser Fluglage wird ein Ausgangssignal erzeugt, das dem Höhenunterschied zwischen den an dtn Flügelspitzen vorhandenen Sondtri 12 proportionalist· Dieser Höhenunterschied zwischen den Sonden ist dem Querneigungswinkel 0 zwischen der horizontalen Linie 56 ^v

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und der die Sonden 12 verbindenden Geraden proportional. · Dagegen ist das flugzeug 50c nach rechts geneigt. Infolge des Höhenunterschiedes zwischen den an den Flügelspitζen des -Flugzeuges angeordneten Sonden 12 ist der Ausgang des Spannungsmessers dem Querneigungswinkel des Flugzeuges proportional. Wenn man den Querneigungswinkel des nach links geneigten.-"lugzeuges -50b als positiv und den.Querneigungswinkel des nach rechts geneigten Flugzeuges 50c als negativ "bezeichnet, zeigt der Ausgang des Spannungsmessers 10 nicht nur den Betrag, sondern auch' das Vorzeit chen des Querneigungswinkels 0 an. "Wie vorstehend angegeben wurde, kann man den Ausgang des Differenzspahnungsmessers an eine bekannte servomedhanische Regelungsvorrichtung anlegen, die dazu dient, das Flugzeug 50b oder ßOe automatisch in einer horizontalen Querlage zu halten»

In*der Fig. 4 sind die Flugzeuge 50a, 5Öb und 50c in dem elektrostatischen Feld E der Erde in einer Seitenansicht gezeigt, so daß der Längsneigungswinkel 0 des Flugzeuges gegenüber einer horizontalen Linie 60 erkennbar ist. Die Längsachse des Flugzeuges 50a ist zu der ■ horizontalen Linie 60 und damit zu der Erdoberfläche 54 parallel. Da die Sonden 1 2 im wesentlichen auf der Längsachse des Flugzeuges 50a angeordnet sind, messen sie dieselbe elektrostatische Spannung und erzeugt der mit den Sonden 12 versehene Spannungsmesser ein Ausgangssignal, das der Spannungsdifferenz KuIl entspricht, und anzeigt, daß das flugzeug den Längsneigungswinkel Null hat. Das Flugzeug 50b befindet sich im Sturzflug, so daß es vorwärtsgeneigt ist. Infolgedessen befinden sich die am Bug und Heck des Flugzeuges 50b angeordneten Sonden 12 in verschiedenen Höhen, ^ie am Bug des Flugzeuges 50b angeordnete Sonde 12 mißt eine stärker negative elektrostatische Span- ■ nung als die zum Heck des Flugzeuges hin angeordnete Sonde

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Diese 'gemessene Spannungsdifferenz wird durch das Ausgangssignal des Spannungsdifferenzmessers angezeigt, der mit den Sonden 12 versehen ist. Dieses Ausgangssignal ist dem Längsneigungswinkel 0 zwischen der horizontalen Linie 60 und der Längsachse des Flugzeuges proportional. Das Flugzeug 50c befindet sich im Steigflug, d.h., es ist rückwärtsgeneigt. Infolge des Höhenunterschiedes zwischen den an dem Flugzeug vorgesehenen Sonden 12 ist der Ausgang des Spannungsmessers dem Längsneigungswinkel des Flugzeuges proportional. .Man kann dann den Ausgang des Spannungsmessers als Anzeige des Betrages und des Vorzeichens des Längsneigungswinkels 0 des Flugzeuges an eine servomechani-sche Einrichtung anlegen, .die zur automatischen Stabilisierung des Flugzeuges dient.

In i*ig. 5 sind 'schematisch zwei Differenzspannungsmesser 10 für elektrostatische Spannungen dargestellt, Mit Hilfe dieser Spannungsmesser kann man im Bereich des elektrostatischen Potentialgradienten in der Atmosphäre eine Äquipotentialebene bestimmen. Man kann annehmen, daß je zwei der in ^¹Ig. 5 gezeigten Sonden 12 auf einer sie verbindenden Linie oder Achse liegen. Wenn diese Achsen unter einem Winkel zueinander angeordnet sind, beispielsweise unter dem in ^x'ig. 5 gezeigten Winkel von 90°, wird eine Ä'guipotentiallinie von jedem Spannungsmesser 10 bestimmt, dessen Ausgang Null ist. Wenn beide Spannungsmesser 10 den Ausgang Mull haben, ist an jedem Punkt.der Ebene, in der die vier Sonden 12 liegen, im wesentlichen dasselbe elektrostatische Potential vorhanden. Da die Messung mittels der Spannungsmesser 10 in einem örtlich begrenzten Bereich erfolgt, ist die Äquipotentialebene gewöhnlich zur Erdoberfläche parallel, so daß eine künstliche horizontale Ebene bestimmt wird, die als Bezugsebene für eine Anzahl von Funktionen verwendet werden kann,

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"beispielsweise für die Stabilisierung des Flugzeuges, für die gyroskopische Abdriftkorrektur, zur Turbulenzanzeige und zur Lenkung von unbemannten Flugzeugen. Diese beiden Sonden 12 jedes Spannungsmessers 10 sind mit einem Differenzspannungsverstärker 14 der vorstehend beschriebenen Art verbunden. Man kann den Ausgang jedes Verstärkers 14 zu einer gewünschten Funktion heranziehen. Beispielsweise kann man mit Hilfe der Ausgangesignale der Spannungsmesser 10 in Flg. 5 ein Flugzeug in einer horizontalen Fluglage halten, wobei das Signal eines der Spannungsmesser zur Steuerung einer servomotorischen Vorrichtung verwendet wird, die den Längsneigungswinkel, Null aufrechterhält, und der zweite / Spannungsmesser 10 zum -^uf rechterhalt en des Querneigungswinkels KuIl herangezogen wird. Daher wird das Flugzeug in einer horizontalen fluglage in der von den beiden Spannungs-Biessern 10 bestimmten Äquipotentialebene gehalten. Wenn gemäß ^'ig. 3 infolge von Hindernissen, wie Bergen, der elektrostatische Potentialgradient geneigt· ist, kann man aufgrund der Bestimmung der geneigten Äquipotentialebene verhindern, daß ein flugkörper gegen das Hindernis fliegt. Beispielsweise kann ein flugzeug, das über einem im wesentlichen ebenen Teil der Erdoberfläche im Horizontalflug stabilisiert ist, über einen Berg oder Hügel fliegen, der eine Neigung des Potentialgradienten bewirkt. Wenn man die Äquipotentialebene bestimmt, die infolge des Hindernisses geneigt ist, und das Flugzeug in Bezug auf die geneigte Äquipotentialebene stabilisiert, sehlägt, das Flugzeug automatisch einen Kurs ein, auf dem es das Hindernis über- oder umfliegt. ..'""-'

Auch mit Hilfe des in ^i;ig. 6 gezeigten Systems kann man eine gleichzeitige Stabilisierung eines Flugkörpers um seine Quer- und Längsachse erzielen; Ein Deltaflügelflugzeug 65 ist mit drei Sonden 12 versehen, von denen zwei auf einer Linie im hinteren Teil des Flugzeuges 65

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und die dritte Sonde 12 im vorderen Teil des Flugzeuges angeordnet sind. Die vordere Sonde 12 braucht nicht auf derselben Horizontalebene zu liegen wie die beiden anderen Sonden 12, weil ebenso wie bei den anderen vorstehend beschriebenen, zur Stabilisierung dienenden Sρannungsmessern der Differenzspannungsverstärker 14 auf eine Spannung Null eingestellt werden kann und es daher nicht erforderlich ist, daß alle Sonden 12 auf der zu bestimmenden Äquipotentialebene liegen. Die beiden hinteren Sonden 12 werden zur Stabilisierung des Flugzeuges um seine Längsachse herangezogen, -^ie vordere Sonde 12 wirdvzur Stabilisierung des Flugzeuges um seine Querachse herangezogen und ist auf die elektrische Mitte zwischen den hinteren. Sonden 12 bezogen, -^ie hinteren Sonden 12 sind mit einem Differenzapannungsverstärker der vorstehend beschriebenen Art verbunden, der ein Ausgangssignal an eine servomechanische Vorrichtung 72 zur Stabilisierung der Querneigung des Flugzeuges 65 um seine Längsachse abgibt. Da unabhängig von der Längsneigung die Summe der auf die elektrische Mitte bezogenen Spannungen, die von den beiden hinteren Sonden 12 gemessen werden, im wesentlichen gleich Null ist, wird zur Bestimmung des Längsneigungswinkels des Flugzeuges die von der vorderen Sonde 12 gemessene Spannung auf diese Mittelspannung bezogen, so daß die vordere Sonde 12 auf die elektrische Mitte zwischen den hinteren Sonden 12 bezogen ist, die anstelle einer zusätzlichen Sonde 12 herangezogen werden, deren absolutes Potential sich bei Veränderungen der Höhe ändert, und zwar unabhängig davon, ob das Flugzeug horizontal liegt oder quergeneigt ist. Man erhält auf diese Weise ein dem Längeneigungswinkel des Flugzeuges 65 proportionales Ausgangssignal, das einer servomechanischen Vorrichtung 74 zugeführt wird, die zur Steuerung der Längsheigung dient und durch das Signal zum Aufrechterhalten einer gewünschten Längsneigung veranlaßt wird.

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Wenn man zur Stabilisierung eines Flugzeuges die beiden anhand der "^ig. 5 beschriebenen Spannungsmesser oder das in ig. 6 gezeigte System mit drei Sonden verwendet, muß bei Flughöhen über etwa 1000 m die Signalverstärkung geregelt werden. Beispielsweise beträgt 3000 m .. über der Erdoberfläche die Amplitude der Ausgangssignale eines Spannungsmessers nur etwa ein Fünftel der Amplitude der in einer ^x>lughöhe von 900 m erhaltenen ^ignale. Diese Abnahme der S ignal stärke, ist -darauf zurückzuführen, daß der elektrostatische Potentialgradient mit zunehmender Höhe abnimmt. Er beträgt auf .Seehöhe etwa 180 V/m und in 6000 m Höhe nur noch 10-20 V/m. Daher muß durch eine Verstärkungsregelung für eine Signalkorrektur gesorgt werden, damit die Abnahme des elektrostatischen Potenti.alg'radienten in großen Flughöhen kompensiert wird.· Zu dieser Verstärkungsregelung kahrfliian verschiedene bekannte Einrichtungen verwenden. Gemäß *'ig. 7 sind zwei zusätzliche Sonden 12c vorgesehen, die den elektrostatischen Potential-? gradienten in der jeweiligen Flughöhe des Flugzeuges messen. Dieser Meßwert wird dann zum Regeln der Verstärkung von Rückführungssignalen verwendet, die von der Vorrichtung erzeugt werden, die von den beiden Spannungsmessern gebildet wird und zum Bestimmen der Äquipotentialebene dient. Die Sonden 12c sind auf einer vertikalen Achse angeordnet, die rechtwinklig ist zu den horizontalen Achsen, auf denen die Sonden 12 der Spannungsmesser 10 angeordnet sind, -^ie ^onden 12c sind in einem solchen Vertikalabstand voneinander angeordnet, daß der Störpegel vernachlässigbar ist j dieser. Abstand beträgt etwa 30 cm oder mehr. Die Sonden 12c messen dauernd den örtlichen Potentialgradienten, der an einen Spannungsmesser 80 angelegt wird, dessen Ausgangssignal zur Steuerung von bekannten elektronischen Einrichtungen 82 zur Verstärkungsregelung herangezogen wird. Die auf einer vertikalen Achse liegenden Sonden 12c dienen ,nicht nur zur Kompensation der Abnahme der Signalstärke in"

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großen Flughöhen, sondern sprechen auch auf kleine örtliche Veränderungen des elektrostatischen Potentialgradienten an; derartige Veränderungen treten oft infolge von Inversionen in der Atmosphäre oder einer überstarken Ionisation der Atmosphäre auf. Wenn man daher zusätzlich zu der von den Spannungsmessern 10 gebildeten Vorrichtung zum Bestimmen einer Äquipotentialebene die Sonden 12c verwendet, wird der Rauschabstand der Vorrichtung zum Bestimmen der Äquipotentialebene verbessert. Außerdem kann man die Sonden 12c in Kombination mit dem Spannungsmesser 80 zum Messen von örtlichen Veränderungen des elektrostatischen Potentialgradienten verwenden. Derartige Veränderungen können das Vorhandensein von radioaktivem Material auf oder unter der Erdoberfläche oder von Verunreinigungsquellen usw. anzeigen.

Fig. 7 zeigt eine Einrichtung für eine unverzögerte und genaue automatische Verstärkungsregelung. In den meisten Fälien genügt für die Verstärkungsregelung ein Durchschnittswert des elektrostatischen Potentialgradierrfcen. Daher ist es im allgemeinen nicht notwendig, die Sonden 12c auf einer kardanisch aufgehängten, durch einen rückgeführten Servomechanismus stabilisierten Plattform auf einer vertikalen Achse zu halten. Man kann zur Verstärkungsregelung auch nur eine einzige Sonde 12c verwenden,, die ober- oder unterhalb der durch die Spannungsmesser 12c bestimmten Äquipotentialebene angeordnet sind. Der Ausgang dieser einzigen Sonde 12c wird dann mit dem Nullausgang der Spannungsmesser 10 verglichen, welche die Äquipotentialebene bestimmen.

In einer Weiterentwicklung der Erfindung kann man eine Einrichtung zum Messen der Roll- oder Nickgesehwindigkeit schaffen. Eine derartige Einrichtung ist in Fig. 8 mit 100 bezeichnet und nutzt zur Messung der Rolloder Nickgeschwindigkeit die Tatsache aus, daß beim Drehen eines elektrisch leitenden Stabes oder Drahtes in einem

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elektrischen Feld in diesem Stab oder Draht ein Yerschie-"bungsstront induziert wird, ^ie Einrichtung 100 hat zwei leitende Stäbe 102, die an den Flügelspitzen eines Flugzeuges angeordnet werden können. Man kann die Stäbe zwar einem sich kontinuierlich verändernden Spannungsfeld aussetzen, doch kann ein elektrostatisches Feld in den Stäben nicht existieren. Bei einer Verschiebung' (Drehung) der Stäbe fließen daher elektrische Ladungen von einem Stab 102 zum andern. Ein in den .Stromkreis zwischen den Stäben 102 eingeschalteter Strommesser 104 mißt den·zwischen den Stäben 1Ö2 fließenden Strom. Dabei gibt die Strom- . richtung die Richtung des Rollens oder Nickens des Flugzeuges und die Stromstärke die Roll- oder'Nickgeschwindigkeit an. ■ ,

Die Ausgangsspannung Eo des Strommessers 104 ist der Stärke des zwischen den Stäben 102 fließenden Stroms proportional. Durch Operationsverstärker 106 wird der in dem Stromkreis fließende Strom in ein Spannungssignal umgewandelt, wobei die Stäbe 102, effektiv kurzgeschlossen sin"d. Der Operationsverstärker 108 ist praktisch ein Differenzspannungsmesser, der die Potentialdifferenz zwischen den Verstärkern 106 mißt. Durch die Kondensatoren 110 werden die in der Atmosphäre in der Iahe von-Stromquellen usw. gewöhnlich vorhandenen Netzfr eq.uenz-St or pegel ausgesiebt. Das Ausgangssignal Eo des Strommessers 104 kann an übliche, nicht gezeigte, servomechanische Einrichtungen zur Beeinflussung der Roll-' oder lickrgeschwindigkeit des Flugzeuges oder au vom Flugzeugführer ablesbare Anzeigeeinrichtungen angelegt werden. Wenn man die Stäbe 102 an den Flügelspitzen oder'auf der Querachse des Flugzeuges anordnet, kann man die Roll-

geschwindigkeit messen. Zum Messen der Nicfcgeschwindigkeit bringt man die Stäbe auf der Längsachse des Flugzeuges an. ■■-..*-

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Zur Stabilisierung mit einem flugregler müssen •gewöhnlrch die fluglage und die' Drehgeschwindigkeit des Flugkörpers betreffende Informationen kombiniert werden. Erfindungsgemäß kann man "beispielsweise, den in ^xig, 1 gezeigten Spannungsmesser 10 und die in ¹Ig. 8 gezeigte Einrichtung 100 zum i'üessen der Drehgeschwindigkeit so abändern, daß ein Ausgangssignal erzeugt wird, in dem die Fluglage und die Rollgeschwindigkeit betreffende Informationen kombiniert sind. Man kann diese Kombination von Informationen erhalten, wenn man die Eingan^simpedanz des betreffenden Stromkreises _f die Länge der mit den Sonden verbundenen elektrischen Leiter und die Strahlungsintensität der Sonde, wenn diese radioaktiv sind_s entsprechend wählt. In der Praxis erzeugt der Spannungsmesser 10 gemäß """'ig. 2 auch die Drehgeschwindigkeit betreffende Informationen und erzeugt die Einri chtung 100 gemäß ^£ig. 8 auch die Fluglage betreffende Informationen.

Im Eahmen des Erfindungsgedankens kann man die vorstehend angegebenen Anordnungen und Maßnahmen abändern. Beispielsweise kann man die Sonden 12 unter einem Winkel zu der Längs- oder Querachse eines erfindungsgemäß zu stabilisierenden Flugkörpers anordnen. Dabei kann der Winkel zwischen einer die Sonden 12 verbindenden Linie und der Längs- oder Querachse bis zu annähernd 45 betragen. In diesem Pail kann man den bpannungsmesser 10 nach bekannten Eichverfahren so einstellen, daß dieser Winkel· kompensiert wird.

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Claims

Patentanspruches

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Fluglage eines Flugkörpers in dem elektrostatischen Feld der Erdatmos-. phäre, gekennzeichnet durch eine von dem flugkörper getragene Sondenanordnung zum Messen der Feldstärke des genannten elektrostatischen Feldes an einem ersten vorgewählten Punkt gegenüber einem zweiten vorgewählten Punkt,, wobei der erste und der zweite vorgewählte Punkt im Abstand voneinander auf einer Bezugslinie angeordnet sind, und durch eine mit der Sondenanordnung verbundene Einrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das der Differenz zwischen den Feldstärken des elektrostatischen Feldes an dem ersten und dem zweiten vorgewählten Punkt proportional ist und einen Winkel zwischen der genannten Bezugslinie und einer in dem elektrostatischen Feld der Erde vorhandenen Äquipotentiallinie anzeigt.

2. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der flugkörper mit einer Stabilisiereinrichtung versTien ist, die aufgrund des genannten Ausgangssignals die Fluglage des Flugkörpers derart verändert, daß das genannte Ausgangssignal gleich Null ist und die Bezugslinie mit einer Äquipotentiallinie fluchtet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die* Sondenanordnung mindestens eine erste und eine zweite Sonde zum Messen von elektrostatischen Spannungen aufweist und diese beiden Sonden an dem genannten ersten bzw. zweiten Punkt angeordnet sind.

4· Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden auf einer zur Längsachse des Flugkörpers parallelen Linie angeordnet sind. .

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5· Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden auf einer Linie angeordnet sind, die unter einem Winkel zur längsachse des Flugkörpers
verläuft.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel kleiner ist als 45°·

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden auf einer zur Querachse des Flugkörpers parallelen Linie angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden auf einer Linie angeordnet sind, die unter einem Kinkel zur Querachse des Flugkörpers veiläuft.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel kleiner ist als 45°·

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen eines Ausgangesignals einen Differenzverstärker besitzt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenanordnung zwei Paare von Sonden
aufweist, die von dem Flugkörper getragen werden und zum Messen von elektrostatischen Spannungen dienen, daß die
Sonden dee einen Sondenpaars auf einer zurJLängsachse des Plugkörpers im wesentlichen parallelen Linie und die Sonden des anderen Sondenpaars auf einer zur Querachse des
Flugzeuges im wesentlichen parallelen Linie angeordnet
sind, daß die Sonden jedes Sondenpaars im Abstand voneinander im wesentlichen auf einer Horizontalebene des Flugkörpers angeordnet sind, daß die Einrichtung zum Erzeugen

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eiiies Ausgängss'ignals" zwei differ eiizvei stärker umfaßt₄ die mit deii öonäeii je eines Söndenpaars elektrisch verbunden sind j so daß an jeden Verstärker die von dem ihm zugeordneten Sondenpaar gemesseneil Potentiale angelegt werden und jeder Verstärker ein Ausgangssignal erzeugt, das der Differenz zwischen den von den "beiden Sonden des zugeordneten Sondenpaars gemessenen Potentialen entspricht * und daß die Stabilisiereinrichtung eine Einrichtung aufweist, die dazu.dient, die Stellung mindestens einer Sonde jedes „Sondenpaärs so zu verändern, daß das Aüggangssignal der mit den Sonden dieses Paars verbundenen Verstärker gleich Null wird, so daß der flugkörper in Bezug auf die Äqjui- . potentialebene"'stabilisiert wird, in der die. Sonden liegenj wenn'die Aus gangs signale beider Verstärker: gleich Null sind. '■■ ^: , " ■ ^; ' ' > ^:

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch zwei -im Vertikälabstand voneinander angeordnete Sonden zürn Messen von elektrostatischen Spannungen, wobei' eine Sonde dieses Paars oberhalb der im wesentlichen horizontalen Ebene angeordnet ist, welche die vier vorher erwähnten Sonden emtMltV üüd die andere Sonde dieses Paars unterhalb der genannten im wesentlichen horizontalen Ebene angeordnet ist, durch eine Einrichtung zürn Empfang der von deii im Vertikälabstand voneinander angeordnet en Sonden gemessenen Potentiale und zum Erzeugen" eines Ausgangssignals, das dem elektrostatischen. Potentialgradienten zwischen diesen Sonden proportional ist ^ und durch eine Verstärkungsregelungseinriehtüng, die aufgrund des dem elektro-•statischeh Potentialgradiehten proportionalen Signals die Verstärkung automatisch so regelt, daß-die von den ■Differenz verstärkern erzeugten Ausgangssignale für die Steüe^- ruög d§r Einrichtung zur Veränderung der Stellung der Sonden'jedeis ^önäenpaars ausreichen. -

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15» Verfahren zum Bestimmen der Fluglage eines" Flugkörpers in dem elektrostatischen Feld in der Erdatmosphäre, dadurch gekennzeichnet, daß in dem elektrostatischen Feld in der Erdatmosphäre eine Äquipotentiallinie bestimmt wird und daß ein Signal erzeugt wird, das den Winkel zwischen einer Achse des Flugkörpers und der genannten Äquipotentiallinie darstellt.

14· Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Achse des Flugkörpers mit der genannten Äquipotentiallinie gefluchtet wird.

15· Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in dem elektrostatischen Feld eine zweite Äquipotentiallinie bestimmt wird, die mit der erstgenannten Äquipotentiallinie in einer Ebene liegt, so daß in dem elektrostatischen Feld eine Äquipotentialebene bestimmt wird, und daß die Quer- und die Längsachse des Flugkörpers mit der genannten Äquipotent.ialebene gefluchtet werden*

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bestimmen der genannten Äquipotentiallinie die Feldstärke des genannten elektrostatischen Feldes an zwei auf der genannten Achse des Flugkörpers im Abstand voneinander liegenden Punkten mit einer Sondenanordnung zum Messen der relativen Feldstärke des elektrostatischen Feldes gemessen wird.

17· Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen der relativen "Feldstärke des elektrostatischen Feldes das elektrostatische Potential an zwei Punkten gemessen wird, die im Abstand- voneinander auf einer im wesentlichen horizontalen Linie angeordnet sind, die sieb in derselben dichtung erstreckt, wie die Achse,

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um die der flugkörper stabilisiert werden soll, und daß zum Erzeugen des den Winkel darstellenden Signals ein Spannungsdifferenzsignal erzeugt wird₅ das der Differenz zwischen den beiden gemessenen Potentialen und damit dem Winkel zwischen der genannten Achse und der sie schneidenden Ä"q.uipotentiallinie proportional ist.

■ 18. Verfahren naoh Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß auf beiden Seiten einer Achse des Flugkörpers mindestens zwei elektrisch leitende und elektrisch miteinander verbundene Elemente angeordnet werden und bei einem Drehen des Flugkörpers um die genannte Achse ein Signal erzeugt wird, das der Stromstärke des zwischen den beiden leitenden -^lementen fließenden Stroms und damit der Drehgeschwindigkeit des Flugkörpers um die Achse proportional ist.

19. Verfahren nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß der vertikale Potentialgradient des elektrostatischen Feldes gemessen und die Verstärkung des Span- · nungsdifferenzsignals dem gemessenen Wert des vertikalen Potentialgradienten proportional verändert wird.

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